聲表面波諧振器穩頻的無(wú)線(xiàn)數字通信模塊設計

摘要：介紹了一種利用聲表面波諧振器穩頻發(fā)射，晶振穩頻接收的無(wú)線(xiàn)數字通信模塊的設計、制作及調試。該模塊可以使用單片機串口完成多機無(wú)線(xiàn)通信，具有占用單片機接口線(xiàn)少、節約程序空間的優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：聲表面波諧振器；穩頻；無(wú)線(xiàn)數字通信

引言
在許多現代的電子設計制作中單片機已經(jīng)普遍應用，然而單片機之間的通信依然存在著(zhù)許多不便。常見(jiàn)的有串口通信、SPI總線(xiàn)、I2C總線(xiàn)、單總線(xiàn)等等，雖然所需線(xiàn)數越來(lái)越少，但這些連接畢竟都是建立在有線(xiàn)連接的基礎上，基本上都需要共地連接，而在很多場(chǎng)合不允許共地(如電力系統檢測)，有的場(chǎng)合不允許布線(xiàn)(如車(chē)輛的剎車(chē)和碰撞加速度實(shí)驗、數字遙控)。這時(shí)就需要一種能夠進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數字信號傳輸的電路。

1 設計目的與要求
采用無(wú)線(xiàn)數字傳輸模塊如(nRF905、nRF401)固然能夠滿(mǎn)足高速率、大數據量的數字信號無(wú)線(xiàn)傳輸，但是其固有地址編碼和通信模式控制，多數采用SPI總線(xiàn)完成。對于有內部集成SPI接口的單片機而言，至少占用3個(gè)引腳來(lái)完成SCK、MOSI、MISO的功能；對于沒(méi)有內部集成SPI接口的單片機，還需要通過(guò)軟件模擬SPI接口。
這樣造成了單片機的引腳和內部程序空間的浪費。同時(shí)數字傳輸模塊的價(jià)格在低成本模塊設計時(shí)也是一個(gè)要考慮的問(wèn)題。因此有必要自行設計一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線(xiàn)數字通信模塊，并且該模塊應該可以使用單片機都具有的通用串口(UART)完成模塊與單片機的通信。

2 電路設計
2．1 載波的選取與產(chǎn)生
根據我國《微功率(短距離)無(wú)線(xiàn)電設備管理暫行規定》中關(guān)于民用設備的無(wú)線(xiàn)控制裝置的頻率要求，同時(shí)綜合建筑物穿透能力、傳輸距離與器件是否方便獲取等因素，選取了315 MHz作為本設計的載波頻點(diǎn)。315 MHz可選的穩頻網(wǎng)絡(luò )有LC振蕩器、晶體振蕩器、聲表面波諧振器(SAWF)等。其中LC振蕩器Q值最小可用帶寬相對較大，但是其頻率穩定度受到元器件參數的影響較大，這給調試與使用帶來(lái)很大的不便。晶體振蕩器的頻率穩定度高，但是高頻的晶體振蕩器加工存在著(zhù)一定的困難。
聲表面波諧振器是用石英晶體或壓電陶瓷作為基底，在其上鍍有又指換能器(IDT)和反射柵，產(chǎn)生聲信號的時(shí)間延遲或振蕩，構成聲表面波延遲線(xiàn)或諧振器。其通過(guò)壓電材料選取和又指換能器等參數設計，可產(chǎn)生不同的聲表面波頻率特性，是一種濾波器件，其振蕩特性正好滿(mǎn)足設計要求。
2．2 調制與發(fā)射電路的設計與調試
由于使用的是聲表諧振器(Q值較高)的振蕩電路輸出作為載波，同時(shí)為了在使用串口直接輸出時(shí)調制方便，兼顧接收解調電路在這里采用的是OOK調制方式。沒(méi)計的要求就是：當單片機串口TXD輸出高電平的時(shí)候電路振蕩；當其輸出低電平的時(shí)候電路停振。
可以采用如圖1所示的發(fā)射電路。電路中L1為高頻扼流圈，R1、R2為偏置電阻，C1為交流旁路電容，天線(xiàn)在諧振狀態(tài)下可以等效為一個(gè)純阻負載。

發(fā)射電路的交流等效電路如圖2所示。其中R1是天線(xiàn)等效負載。L1、C1、C2與Q1當SAWF交流短路時(shí)組成電容三點(diǎn)式振蕩同路，回路振蕩頻率在其特征頻率附近，通過(guò)改變L1的匝徑與匝間距可以使LC振蕩回路落在315 MHz頻率附近。這樣就滿(mǎn)足了起振的相位條件，振蕩的幅度條件由晶體管的非線(xiàn)性特性保證。這時(shí)，選頻網(wǎng)絡(luò )包括了SAWF，因為只有頻率在315 MHz時(shí)SAWF才表現為高頻短路，即把電容C1的反饋電壓送入晶體管Q1的基極。只有在TXD端高電平的時(shí)候以上條件才完全滿(mǎn)足；當TXD為低電平時(shí)，晶體管Q1截至，電路停振，而這正是我們需要的OOK調制形式。
調試電路時(shí)，由于儀器限制，很多時(shí)候很難調整L1的匝徑與匝間距等參數。這時(shí)可以接TXD為高電平，通過(guò)短接SAWF，暫時(shí)略去其選頻功能，直接調整L1參數與后面即將提到的接收機這樣只有L1、C1、C2振蕩在315MHz時(shí)接收電路才會(huì )有輸出，達到了調整L1參數的目的。