通信原理课程设计报告_通信原理课程设计心得

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通信原理课程设计报告内容

一、课程设计目的1． 掌握通信系统的设计方法。

2． 熟悉常用电路图绘制和PCB板设计工具。

3． 熟悉MSP430和常用单片机的原理和系统设计方法。4． 熟悉无线数据传输系统的组成及各部分的工作原理。5． 设计内容、技术条件和要求

二、课程设计内容和基本要求：

设计完成由MSP430单片机+无线芯片+传感器组成的无线传感器模块，给出应用系统的工作过程。

三、无线温湿度传感器的总体硬件方案设计

无线温湿度传感器基于MPS430F2274单片机，由MSP430F2274单片机及外围电路组成的数据处理模块、基于无线芯片nRF2401的无线数据通信模块和基于SHT11数字温湿度传感器的数据采集模块三大部分组成。各模块功能分析如下：

数据处理模块：负责控制整个无线温湿度传感器的数据处理操作、功耗管理以及任务管理等；在系统中，我采用了具有强大功能的超低功耗16 位单片机MSP430F2274，它的丰富的片内外设可使整个电路变得异常简化，减少了整个系统的功耗和体积。在单片机的基础上设计了无线数据传输模块等电路。

数据采集模块：负责采集温湿度环境中的信息并完成数据转换，采集的信息包含温度、湿度、光强度、加速度和大气压力等；采用高精度的数字温湿度传感器SHT11 对环境温湿度进行检测，实现对环境温湿度的测控。无线数据传输模块：负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；本模块选择了稳定性好、抗干扰能力强的nRF2401芯片。

总体设计框图如图1（）（手画）所示：

四、无线温湿度传感器的硬件电路设计

（一）、基于无线芯片nRF2401的无线数据通信模块的设计

nRF2401 芯片工作于2.4 GHz 全球开放ISM频段,125 个频道,满足多点通信和跳频通信需要,工作速率0～1 Mb/ s ,最大发射功率0 dBm ,外围元件极少,内置硬件CRC(循环冗余校验)和点对多点通信地址控制,集成了频率合成器,晶体振荡器和调制解调器

由于nRF2401 的供电电压范围为1.9～3.6V,为了使芯片正常工作,需要进行电平转换和分压处理。单电源供电时,采用MAXIM 公司的MAX884 芯片进行5 V23.3 V 电平转换。电平转换电路如图2所示：

单片机通过PWM_UP ,CE ,CS 三端设置nRF2401 的工作模式, nRF2401有四种工作模式如表1所示：

表1 nRF2401 的四种工作模式

模式

PWR

CE

CS 工作模式(发送/ 接收)

0 配置模式

0待机模式

0

0 掉电模式

0

x

x 配置模式时单片机通过CL K1 和DA TA 端向nRF2401 发送配置字,发送数据时通过CL K1 和DA TA 端向nRF2401 发送地址和数据,接收数据时通过CL K1 和DA TA 端从nRF2401 读取数据,DR1 是nRF2401 通知单片机已经接收到数据并且可以读取的状态信号。CL K2、DOU T 和DR2 端为通道二保留使用,nRF2401 可以同时接收两路信号。

nRF2401无线数传输模块原理图 如图3所示：

(二)、基于SHT11数字温湿度传感器的数据采集模块的设计

SHT11传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件、一个用能隙材料制成的温度敏感元件 ,并在同一芯片上 ,与 14位的 A/ D转换器以及串行接口 电路实现无缝连接。每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定 ,以镜面冷凝式湿度计为参照。校准系数以程序形式存储在 O T P 内存中 , 在校正的过程中使用。两线制的串行接口 ,使外围系统集成变得快速而简单。微小的体积、极低的功耗 , 使其成为各类应用的首选。其原理框图如图4（手画）所示：

SHT11与微控制器的连接 ,即为 S H T11的串行接口电路与微控制器的连接SHT11与微控制器的接口连接图如图5（手画）：

串行时钟输入(K): SCK用于微控制器与SHT11之间的通信同步。430MCU(主机)GND Vdd(2.4-5.5V)DATA SCK SHT1X(从机)Vdd由于接口包含了全静态逻辑 ,因而不存在最小的SCK频率限制。即微控制 器可以以任意慢的速度与 SHT11通信。

串行数据(TA): DATA三态引脚是内部的数据的输出和外部数据的输入引脚。DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态 , 并在 SCK时钟的上升沿有效。即微控制器可以在 SCK的高电平段读取有效数据。在微控制器向SHT11传输数据的过程中 ,必须保证数据线在时钟线的高电平段内稳定。为了避免信号冲突 ,微控制器仅将数据线拉低 ,在需要输出高电平的时候 ,微控制器将引脚置为高阻态 ,由外部的上拉电阻(例如 : 10 kΩ)将信号拉至高电平。

S H T1 X 系列是单片集成的温湿度传感器 , 所有的信号调理都在芯片内部完成 ,简化外部电路设计 ,同时增强系统工作的可靠性 ,并且这种传感器将温度和湿度检测融合在一起 ,降低总体成本。当需要同时检测温度和湿度值时 ,采用 S H T1 X系列传感器是一种不错的选择。S H T1 X系列中不同的子型号对应不同的测量精度 ,适应不同的系统设计要求。对于一些高速的应用 ,还可以使用软件降低测量精度 ,以提高检测速度。基于SHT11数字温湿度传感器的数据采集模块的原理图如图6所示。

（三）、MSP430F2274单片机及外围电路组成的数据处理模块的设计 MSP430F2274 简介

微处理器采用TI公司的MSP430F2274单片机。MSP430系列单片机是一种超低功耗的混合信号控制器，能够在低电压下以超低功耗状态工作；其控制器具有强大的处理能力和丰富的片内外设；带FLASH存储器的单片机还可以方便高效地进行在线仿真和编程。

MSP430系列单片机最显著的特点就是它的超低功耗，在1.8～3.6V 电压、1MHz的时钟条件下运行，耗电电流在0.1～400mA 之间，RAM在节电模式耗电为0.1uA，待机模式下仅为0.7uA。MSP430F2274 的结构框图如图7（手画）所示：

1）特点（○

低工作电压：1.8~3.6V

超低功耗：

（1）活动模式250μA @1MHz,2.2V;（2）待机模式0.7μA;（3）掉电模式（RAM 数据保持）0.1μA。（4）5 种节电模式。

从待机到唤醒的响应时间不超过1μs。

十六位精简指令结构，62.5n 秒的指令执行周期。

基本时钟模块配置：

（1）片内高频时钟源，频率高达16MHZ并存有四个已经校正的频率参数存在在FLASH的 信息段A中，其误差在±1%以内。（2）内部还有低功耗低频振荡器VLO（3）32KHZ晶振模块（4）外部数字时钟源

带有三个捕获/比较器的16 位定时器Timer_A，Timer_B

通用串行通讯接口：

（1）增强型的异步通讯，支持波特率自动检测。（2）红外编/解码器（3）同步通讯SPI（4）I2C（5）LIN 10 位，200-ksps A/D 转换器带有内部参考源、采样保持、自动扫描特性和数据传送控制 器个可编程的运放OA0，OA1

掉电检测（Brownout Detector)FLASH 存储器高达32KB，RAM 高达1KB。

调试接口

串行在系统编程，无需外加编程电压，可选择烧断熔丝来保护代码

内置自启动引导程序（Bootstrap Loader)

在线仿真模块（1）Spy-Bi-Wire（2）4-Wire JTAG 2）单片机MSP430F2274的外围电路设计（○单片机MSP430F2274外围电路的主要功能为：

1、应用单片机I/O口与SHT11相连控制其对温湿度数据采集及数据传输。

2、与无线数据传输模块相连，达到数据的远程传输及探测

4、完成与JTAG、单片机复位、晶振电路等扩展模块的连接。单片机MSP430F2274系统电路设计如图8所示。

五、通信软件流程

（1）工程文件的建立

启动IAR 编译软件进入IAR Embedded Workbench 界面，点击“embeded workbench startup”对话框中的“Create new project in current workspace”或点击Project>Create New Project。此时回弹出对话框，在此对话框中选择您所要建立的工程类型，一般我们选asm 或C，选择好后按“OK”，到您所需的路径并输入工程文件名（*.PRJ），点击“保存”，一个工程就这样建立完毕了。如果在已经有源文件的情况下，也可以建了一个空的工程，就选“Empty project”，同样点“保存”就建立了一个空的工程。

（2）源程序（*.S43/*.C）的加载

在workspace 中右键点击当前项目，选Add->Add File，从源程序所在路径选择源程序（*.S43/*.C），点击“打开”加载。

（3）项目参数设置

进入IAR Embedded Workbench 界面的主菜单Projiec->Option, 在“Category”选择“General Options”,在右边的对话框中选择“Target”页，在此页的“Device”栏中选择主芯片型号。再到左边的“Category”中选择“Debugger”，右边显示如图2.5。在“driver”栏中有两个选项是“simulator”和“FET Debugger”，前者是软件仿真，后者是硬件仿真。硬件调试时选择“FET Debugger”。再选择左边的“FET Debugger”来选择调试工具类型，如图2.6 所示。在“Connection”栏中选择“Lpt”。这样整个工程设置完成了，可以进入下一步调试了。

（4）源程序下载

在IAR Embedded Workbench 界面，点击Debugger 下载程序，如下载正常会出现图2.7 所示界面,然后即可以进行仿真。如出现错误，必须回到IAR Embedded Workbench 界面修改，修改完毕后重新进行编译、下载。（5）仿真调试

在仿真界面,可以设置断点、观察变量、单步等，如有修改源程序，再重新回到步骤4，重复步骤4 和5，直到程序调试无误。

六、设计总结

七、附录

（1）主要参考文献

1． 樊昌信，“通信原理（第五版）”，国防工业出版社

2． 张晞，王德银，张晨.MSP430系列单片机实用C语言程序设计.人民邮电出版社，2005 3． 曾斌编，Protel se99电路设计标准教程，上海科学普及出版社，2004.03 4． NRF2401 中英文数据手册（2）各模块原理图及系统整体原理图