ISM频段短信互联系统设计

ISM频段短信互联系统设计 学 生 姓 名： 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 所 在 单 位： 答 辩 日 期： 摘 要 随着现代工业生产和科学研究对数据传输的要求日益增加,无线传输在机动性要求较强的设备中得到了越来越广泛的应用。系统一般使用射频收发芯片,加上微控制器和少量外围器件构成专用无线通信模块,利用无线通信组网技术,实现指定模块间的信息收发。系统工作于ISM频段,通信模块包含简单透明的数据传输协议,用户不必对无线通信原理和工作机制有较深的了解,只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据和文字的无线传输功能,因其功率小、开发简单快速,而在工业、民用等领域应用广泛。单片机由于程序存储器空间大、价格低、速度快、处理能力强，在过程控制、数据采集等领域得到广泛使用。 本文介绍了利用ATmega32单片机和无线数据收发芯片SRW1012构成的短信互联系统的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ,模块内嵌T9中文输入法，用PS/2 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 键盘输入任意汉字、英文，显示在LCM12864液晶模块上。该系统实现了模块可自动搜索1000米半径范围内同类模块，根据用户要求，可实现指定模块之间的通信。在接收其他模块短信后，在液晶模块上显示收到的短信内容。本文综述了一种实用有效的短信互联系统的设计方案，介绍了其工作原理、硬件电路及C语言程序，提供了较为有效的无线短信互联方式。 关键词 ISM频段；无线组网技术；T9输入法 Abstract With the increasing demands of modern industrial production and scientific research on data transmission, wireless transmission to strong equipment has been more widely used in the mobility requirements.Systems typically use RF transceiver chip, coupled with a microcontroller and a small number of peripheral devices to a private wireless communication module, using a wireless network technology, and messaging between the specified module.System worked in the ISM band communication module contains a simple and transparent data transfer protocol, the user does not have a deeper understanding of wireless communications principles and working mechanisms, as long as the operation according to the command word to the basic datawireless transmission function, and text and its power is small, the development of simple, rapid and widely used in industrial, civil and other fields. Single-chip contains program memory space, low price, speed, processing capability, and is widely used in process control, data acquisition. This article describes the ATmega32 microcontroller and wireless data transceiver chip SRW1012 SMS interconnected system consisting of the design module embedded T9 Chinese input method, the PS / 2 standard keyboard to enter any Chinese character, English, displayed on the LCD module in LCM12864.The system module can automatically search for similar modules within a radius of 1000 meters, according to user requirements, the communication between the specified module. Other modules SMS is received, the LCD module to display the content of the message received. In this paper, a practical and effective SMS interconnect system design, its working principle, the hardware circuit and C language programming, providing a more effective way of wireless messaging Internet. Keywords: ISM band; network technology; T9 input 目 录 I 摘 要 II Abstract 1 第1章 绪 论 1 1.1 课题背景及研究的意义 1 1.1.1 课题背景 1 1.1.2 课题研究意义 1 1.2 无线互联系统研究现状 2 1.3 本文的主要研究内容 3 第2章 系统的整体结构和实现功能 3 2.1 系统的总体结构 4 2.2 系统实现功能 4 2.2.1 模块各部分实现功能 4 2.2.2 系统预计实现功能 4 2.2.3 系统实现的意义 5 第3章 系统的硬件设计 5 3.1 ISM频段的发展及相关协议标准 5 3.1.1 ISM频段的发展状况 5 3.1.2 ISM频段的无线技术标准 6 3.1.3 采用ISM频段的优点 6 3.2 无线组网技术 6 3.2.1 无线组网技术的发展状况 7 3.2.2 无线组网技术的系统应用 7 3.2.3 无线组网技术的实现 8 3.3 控制芯片的硬件电路及特点 8 3.3.1 单片机的性能比较 9 3.3.2 ATmega32单片机的封装及外部引脚 10 3.3.3 ATmega32单片机的通用I/O口设计 10 3.3.4 ATmega32单片机的中断系统 11 3.4 无线通信模块的应用 11 3.4.1 无线通信模块 12 3.4.2 SRW1012无线通信模块的引脚说明 13 3.4.3 标准SPI接口 13 3.4.4 无线通信模块工作模式 13 3.5 LCM12864液晶显示模块特性 14 3.5.1 引脚说明 14 3.5.2 并行接口数据传输 15 3.5.3 液晶接口电路及说明 15 3.5.4 液晶模块的使用说明 15 3.6 PS/2接口电路原理 16 3.6.1 PS/2键盘接口的物理特性 16 3.6.2 PS/2键盘的接口协议原理 17 3.6.3 数据包结构 17 3.6.4 键盘输入接口设计 18 3.6.5 键盘输入接口程序设计 19 3.7 硬件原理图的绘制 19 3.7.1 Altium Designer 系统介绍 19 3.7.2 原理图设计过程 20 3.7.3 PCB设计的基本原则 21 3.7.4 PCB设计流程 22 第4章 系统的软件设计 22 4.1 系统的软件实现 22 4.1.1 系统的程序语言 23 4.1.2 系统的程序运行环境CVAVR 23 4.1.3 程序的仿真环境 24 4.1.4 系统的程序流程图 26 4.2 T9输入法原理 26 4.2.1 T9输入法的日常应用 26 4.2.2 T9输入法原理 27 4.2.3 T9输入法流程图 28 结 论 29 参 考 文 献 30 致 谢 31 附 录 第1章 绪 论 1.1 课题背景及研究的意义 1.1.1 课题背景 随着Internet的飞速发展,从WAN到MAN,再到LAN,PAN,这些技术已逐渐成熟。目前,各类网络中最具增长潜力的是无线网络,许多机构会选择采用无线局域网(WLAN)来拓展他们的现有网络,获得在区域内部移动接入网络的能力[1]。 ISM频段，由联盟无线电通信局定义。此频段主要开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，无需授权许可，只要遵守一定的发射功率,并且不对其他频道造成干扰即可。在这一非特许频带上，低功耗集成电路、模块和系统可满足无绳电话，家庭和办公无线网络，以及其他各种应用场合的潜在增长需求,在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的数据和语音通信,实现全方位的数据传输。 无线组网技术通常是指一种动态自组织、自我配置的无线多跳网络，网络节点(包括网状路由器和网状客户节点)能够自动组建成移动网络且维持网状(Mesh)连接性。该技术当前主要有Sensor Network和Ad hoc Network两种。它们的共同特点是:网络中没有专职路由器,每个节点(或部分节点)需要兼具路由功能。无线组网技术也使用类似于TCP/ IP的分层通信协议，与有线组网技术相比,最大优点在于网络拓扑展开迅速、造价低廉[2]。 1.1.2 课题研究意义 现代工业生产和科学研究对数据采集和传输的要求日益增加,在信号测量和图像处理等领域中,需要进行高速数据传输。本文针对现场需准确实时通信的要求，设计并制作了ISM频段短信互联系统,系统内嵌T9输入法，可实现中英文信息的输入，使工作人员间得到即时灵活的信息交互。三个模块之间采用无线组网技术，在1000m的范围内，实现了系统中指定模块的信息收发与互联。系统中每个节点都具备路由或中继转发的功能,可利用更低的发射功率实现传统无线网络相同的信号覆盖。该系统具有体积小、结构简单、性能可靠和组网灵活等特点。 1.2 无线互联系统研究现状 数据传输可以采用有线数据传输方式,数据的传输载体是双绞线、同轴电缆或光纤。还可以采用无线传输方式,无线传输在机动性要求较强的设备中或人们不方便随时到达现场的条件下得到了越来越广泛的应用。相比于传统的有线数据传输方式,无线传输方式可以不考虑传输线缆的安装问题,从而节省大量线缆,降低施工难度和系统成本,因而是一个很有发展潜力的研究课题。 生活中最常见的无线通信技术就是家庭中用到的电视机、空调遥控开关,它采用了点对点的红外技术,最大的不足在于它是一种视距离传输,2个互相通信的设备之间必须对准,中间不能让其他物体阻隔,因而该技术只能用于2台设备之间的连接,不能满足多台设备互联、组网的要求[3]。 无线组网技术在军事通信网、公安移动数据网以及智能交通网络等领域对系统网络的设计具有重要价值。随着IEEE802.11和Bluetooth产品的市场化,无线组网在民用方面同样显示出了巨大的潜力。Wireless World Research Forum(www.ist2wsi.org)公布的 调查报告 行政管理关于调查报告关于XX公司的财务调查报告关于学校食堂的调查报告关于大米市场调查报告关于水资源调查报告 说,通过无线设备接入互联网的用户平均每两年增长20%～50%[2]。 无线互联系统一般使用单片射频收发芯片,加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块,工作于ISM频段,通信模块包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议,系统内部采用无线组网技术，因其功率小、开发简单快速,而在工业、民用等领域应用广泛。单片机负责对无线收发芯片进行编程控制，并设定其工作模式及工作参数，监测运行状态，执行相关操作。 1.3 本文的主要研究内容 由于无线传输方式可以不考虑传输线缆的安装问题,从而节省大量线缆,降低施工难度和系统成本,针对现场需准确实时通信的要求，设计制作两块基于AVR单片机的无线通信模块，可相互发送中英文短信,模块可自动搜索1000米半径范围内同类模块，并可直接或桥接通信。该模块具有体积小、设备成本低、性能可靠和组网灵活等特点，方便即时精确通信，以实现无线数据的双向传输,具有广泛的市场应用价值。 本文所要完成的主要内容包括以下几个方面： 1. ISM频段的工作频率、适用范围及相关通信协议。 2. 无线组网技术的介绍及应用。 3. ATmega32单片机的性能及接口电路。 4. SRW1012无线通信模块的性能、接口电路及工作方式。 5. LCM12864液晶显示模块的接口电路、显示方式。 6. PS/2标准键盘接口的原理。 7. T9输入法的原理及应用。 8. 系统实现的软件运行及程序流程图。 第2章 系统的整体结构和实现功能 随着网络技术及通信技术的飞速发展，短距离无线通信以其特有的抗干扰能力，高可靠性，安全性好，受地理条件限制少。安装简便灵活的优点，在许多领域都有广阔的应用前景。甚至在一些特殊的应用领域，单片机通信不能采用有线数据传输方式，只能采用短距离的无线数据传输方式。本章从整体的角度介绍了短信通信互联系统的结构和预计实现的功能及意义，提出了一种较为实用的无线互联设计思路。 2.1 系统的总体结构 本文实现一种基于无线传输芯片的短距离无线数据传输。整个系统由多个无线模块组成，每个模块可以看做一个节点，节点间以无线组网技术互联为整个网络。利用无线组网技术，单片机可将采集的数据通过无线传输模块传送到指定的通信模块。系统整体如图2-1所示。 SHAPE \* MERGEFORMAT 无线传输模块由数据传输控制模块和无线传输模块两大部分组成。控制部分采用以AVR单片机为主控芯片，控制各从机与其进行数据交换。键盘输入需要传输的中英文信息，显示在液晶模块上。无线数据传输模块的关键器件是无线通信芯片。选择无线通信芯片的首要原则是根据系统设计的需要，及数据传输的编码方式，芯片所需外围元件的数量等。系统中每个节点构成如图2-2所示。 SHAPE \* MERGEFORMAT 2.2 系统实现功能 2.2.1 模块各部分实现功能 键盘输入想要发送的信息，通过PS/2口与单片机连接。内嵌T9输入法，可以输入所需中英文信息，是模块的输入单元。 控制芯片采用高性能、低功耗的AVR单片机,完成数据的处理和控制。单片机一方面实时进行数据采集，另一方面通过无线模块和其他指定模块交换数据，是模块的处理信息的关键部分。 液晶显示模块，将收发的信息即时显示出来，形成人机交互界面。利用其内部所带的中文字库，方便编程，降低对单片机内存的要求。 无线通信模块采用微功耗射频收发芯片,应具备低成本、大范围、高灵敏度的特点。工作在ISM频段，是模块间组网的核心部分。 2.2.2 系统预计实现功能 将所需的内容正确输入，并显示到液晶显示屏上。系统的输入设备为PS/2接口的标准键盘，根据内容，利用拼音输入法输入所需的中文、英文及标点符号。液晶显示屏的上半部分为正文内容，下半部分为文字选择区域。当信息发送后，屏幕显示信息已发送字样。 文字信息可以通过无线通信模块传输到对应的模块上。当信息输入完毕后，按下回车按键，模块自动搜索频率范围内的接收系统，将内容发送到该系统。自动与上位机通过ISM频段建立相对可靠的连接,上传已经存储在模块FLASH中的实时数据。实现信息的实时、快速、准确传输。 接收模块可以读取并正确显示接收到的内容。模块可以从输入信息状态转换到接收信息并显示的状态。在显示完信息后，模块可以返回到原状态。 指定模块间可实现直接通信，模块间通过DIP开关相互区别，实现了系统中指定节点的互联通信。 2.2.3 系统实现的意义 针对日渐增长的信息传递需求，利用无线组网技术，设计制作两块基于ISM频段的短信互联系统。该模块具有性能稳定，使用方便，价格经济等优点。可极大的方便工业现场信息传递的需要，便于工作人员实时、准确地信息传递。在1000m的范围内，系统中每个节点都具备路由或中继转发的功能,可利用更低的发射功率实现传统无线网络相同的信号覆盖。该系统具有体积小、结构简单、性能可靠和组网灵活等特点。另外，此模块也具备较好的可移植性，可以进一步开发成为智能数据无线收发系统，实现系统自动的数据的采集、信息处理、实时发送及正确显示，极大地减少了使用者的工作量。 第3章 系统的硬件设计 本章从系统的硬件的设计入手，介绍了系统的工作频段及无线组网技术，并通过硬件芯片的性能比较得出系统适用的芯片型号。之后给出了芯片间的接口电路图，便于进一步地了解系统的组成及性能。 3.1 ISM频段的发展及相关协议标准 3.1.1 ISM频段的发展状况 随着网络技术及通信技术的飞速发展，短距离无线通信以其特有的抗干扰能力，高可靠性，安全性好，受地理条件限制少。安装简便灵活的优点，在许多领域都有广阔的应用前景。使人们真正享受到简单、方便、快捷的网络连接[4]。 ISM是Industry Scientific Medical Band的缩写，是由联盟无线电通信局定义的。此频段主要开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，无需授权许可，只要遵守一定的发射功率,并且不对其他频道造成干扰即可，2.4GHz频段为各国共同的ISM频段。欧美日等国家的无线电管理机构分别设置了各自的ISM频带，例如美国的ISM频段由902MHZ—928MHZ,2.4GHZ-2.484GHZ,5.725GHZ-5.850GHZ三个频段组成。如果发射功率及带外辐射满足美国联邦通信委员会(FCC)的要求，则无需向FCC提出专门 申请 关于撤销行政处分的申请关于工程延期监理费的申请报告关于减免管理费的申请关于减租申请书的范文关于解除警告处分的申请 即可使用这些ISM频段[5]。随着ISM频段单芯片的无线数据通信IC的性能日益提高，短距离无线应用领域也在不断的扩大，其中包括家用电器，消费电子产品，工业控制，安防，自动抄表，汽车遥控控制等诸多领域。 3.1.2 ISM频段的无线技术标准 目前常用的无线网络标准最流行的3个是蓝牙(Bluetooth)、WiFi和ZigBee。 蓝牙技术，是一个开放性的、短距离无线通信技术标准,其传输速度高达1Mb/s。它采用跳频扩频技术,可以用于近距离通过无线连接的方式实现固定设备以及移动设备之间的网络互连,在各种数字设备之间实现灵活、安全、低成本、小功耗的数据和语音通信,实现全方位的数据传输[1]。 Wi-Fi(Wireless Fidelity,无线高保真)也是一种无线通信协议,正式名称是IEEE802.11b，它与无绳电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。Wi-Fi速率最高可达11Mb/s，在电波的覆盖范围方面可达100m左右,大楼中也可使用。最初的IEEE802.11 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 是在1997年提出的,称为802.11b,主要目的是提供WLAN接入,是目前WLAN的主要技术标准。 Zigbee是IEEE802.15.4协议的代名词，使用频段为2.4GHz,868MHz及915MHz,均为免执照频段,采用跳频技术。它的基本速率是250kb/s,采用了碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙;节点模块之间具有自动动态组网的功能,信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输,从而保证了信息传输的可靠性。ZigBee技术低成本、低功耗、小体积、安全性强的特点，非常有利于无线网络的搭建，是目前无线组网技术中重点采用的通信协议之一[6]。 3.1.3 采用ISM频段的优点 1. 输出功率为lmW且带外辐射较小,系统功耗较低。 2. 无需申请频率许可证，只要遵守一定的发射功率,并且不对其他频道造成干扰即可。从而大大方便了开发者和用户[7]。 3. 波长较短,天线的尺寸较小,可以缩小系统的体积,甚至可以将天线设计在PCB板上实现天线内置,这样可以同时降低系统的成本[8]。 4. 系统中两个模块具备灵活性,可移动性和极强的可扩充性等优点。 3.2 无线组网技术 3.2.1 无线组网技术的发展状况 无线组网技术当前主要有Sensor Network和Ad hoc Network两种。它们的共同特点是:网络中没有专职路由器,每个节点(或部分节点)需要兼具路由功能[2]。Sensor Network的节点一般会被布置成蜂窝状或网格状,这样每一个节点的地理位置都是清楚的。Adhoc Network中的部分或全部节点是可以移动的,使用Ad hoc通信方式,因为没有集中控制节点,任何单个节点或不超过一定比例的多个节点受到损坏,整个网络仍能正常运行。 多传感器无线网络是由各传感器节点以自组织方式构成的高度灵活的无线网络，与传统的传感网络相比，无线网络具有节点分布密集、网络拓扑展开迅速、造价低廉、拓扑变化频繁、自愈性能强等特点。Zigbee作为较新的无线通信技术，具有的低功耗、低成本、自组织性强等特点，使其完全适用于多传感器网络数据传输[9]。协议对网络中的节点划分了3种设备类型：协调器、路由器、终端。ZigBee协议栈是一个完整的协议规范，对无线网络的组织建立、节点的加入退出、路由算法、网络拓扑、各层服务等都有详细的定义，这样便省去了大量组网工作量，方便了实验网络的快速搭建。 表3-1 网络节点功能 ZigBee协议设备 典型功能 协调器 每个网络只有一个。用于构建网络，分配网络地址，建立保存绑定表。 路由器 可选择的；用来扩展网络的物理范围，允许多个节点加入网络，可用来监测、控制。 终端 完成监测或控制功能。 3.2.2 无线组网技术的系统应用 无线组网技术中的关键问题有两个,即“网络拓扑”和“路由选择”。Sensor Network的节点一般会被布置成蜂窝状或网格状,这样每一个节点的地理位置都是清楚的，Ad hoc Network中的部分或全部节点是可以移动的，其拓扑结构是随节点的运动而不断变化的。有线网络中广泛存在着专职路由服务器,但在无线组网技术中一般没有这样的装置。Sensor Network和Ad hoc Network节点一般使用电池供电,受功率、波长和地理环境等因素的影响,无线信号不能传播到很远。为了保证网络中的节点彼此间能互相通信,网络中每个节点或部分节点就被要求具有路由功能[10]。 多传感器网络信息集成仿真系统的集成中心建立在ZigBee协调器的基础之上，是ZigBee协调器的一个应用。ZigBee协调器与扮演路由器甚至是终端设备的全功能设备（FFD）没有区别，只是根据构建网络的需要，协调器承担了控制中心的任务。当网络状态发生变化时，其它全功能设备（FFD）也能承担起ZigBee协调器的任务，使网络的自组织、自修复功能得以实现。因此，本系统的集成中心与一般网络的中心并不相同，具有可转移性和不确定性。 3.2.3 无线组网技术的实现 无线组网的通信协议包括两个过程：路由发现和路由维护。 (1)路由发现过程：路由发现过程由反向路由的建立和前向路由的建立两部分组成。反向路由是指从目的节点到源节点的路由，用于将路由相应报文回送至源节点，反向路由是源节点在广播路由请求报文的过程中建立起来的。前向路由指从源节点到目的节点方向的路由，用于数据报文的传送，前向路由是在节点回送路由响应报文的过程中建立起来的。 (2)路由维护过程：在一条已经建立起来的路由会一直被维护，直到源节点不再需要它为止。Adhoc网络中节点的移动仅仅影响含有该节点的路由，这样的路径被称为活动路径。不在活动路径上的节点移动不会使协议产生任何动作，因为它不会对路由产生任何影响。如果是源节点移动了，就可以重新启动路由发现过程，来建立到目的节点的新路由。当目的节点或某些中间节点移动时，受影响的源节点就会收到一个连接失败RERR消息。该RERR是由已经移走节点的上游节点发起的，该上游节点会将此连接失败的信息继续向它的上游活动邻节点转发，然后，收到信息的那些上游节点以同样的方式向它们的上游活动邻节点再转发，这样层层向上转发。最终，源节点会收到该信息，于是，源节点在收到断链的通知后，如果还要与目的节点联系，会重新发起路由建立过程。这时，它将会广播一个RREQ分组，这个RREQ分组中的目的序列号需要在源节点己知的最新目的序列号之上加1，以确保那些还不知道目的节点最新位置的中间节点对这个RREQ分组做出响应，从而能保证建立一条新的、有效的路由。 众所周知，一般无线数字接收机在接收有效数据之前，必须要识别数据开始的标志信息及前导码PREAMBLE和同步头SYNCWORD。前导码是由若干01010数据组成主要是用于恢复与同步无线接收机的时钟，同步头可以是若干特定的数据，它标志着数据的开始，ID FIELD是个可选项，用于识别接收机的地址。数据域DATA FIELD是真正的数据区，数据的长度通常是可变的，CRC是对ID FIELD和DATA FIELD的效验，可以选择CRC16或CRC32。 在本次设计中，系统采用无线组网技术实现指定节点之间的互联通信。区别系统中不同节点可通过DIP开关控制。DIP开关的原理是模块将不同编号的开关打开，当模块上电之后，通过引脚读入DIP开关的信息，得到自身的节点号。若开关包含四位，则可区分16（24）个不同模块。然后模块通过广播的方式向频段内其他模块发送指令，将有信息反馈的模块及其对应编号存储起来，这一步骤相当于入网许可。当有信息需要发送时，该模块即可根据指令向网内的模块发送指令,指令结构如下。 模块自身编号 目标模块编号 可收到信息模块编号 数据长度 数据信息 3.3 控制芯片的硬件电路及特点 数据传输控制模块主要实现接收、存储接收数据、位置检测等功能。而控制模块的核心就是单片机，采用哪一类型的芯片，需要根据整个系统的性能要求，芯片的选择应适合于应用系统的要求。不仅要考虑单片机芯片本身的性能是否能够满足系统的需要，如：执行速度、中断功能、I/O驱动能力与数量、系统功耗以及抗干扰性能等，同时还要考虑开发和使用是否方便、市场供应情况与价格、封装形式等其它因素。 3.3.1 单片机的性能比较 表3-2 芯片参数比较(表格中为芯片支持的最大值) 名称 执行速度 中断功能 IO驱动力 RAM ROM 功耗 MCS-51 1MIPS 5个、两级 5mA 128B 4KB 630mW ATmega32 16MIPS 19个、三级 20mA 1KB 32KB 12.5uW MCS-51单片机有一个8位的CPU,包括运算器和控制器两部分，4个8位的并行I/O口，即P0-P3，1个全双工的串行口，2个16位的定时/计数器，1套完善的中断系统[11]。芯片处理速度较慢，芯片内部存储空间较小，不适用于较大程序的存储。在作为通用I/O口时，由于输出驱动电路是开漏方式，需外接上拉电阻，驱动能力较差。内部有一个异步通信串行口，具有四种工作方式，传输速度较慢。 AVR单片机采用低功率、非挥发的CMOS工艺制造,除具有低功耗、高密度的特点外,还支持低电压的联机Flash,EEPROM写入功能。ATmega32具有32KB在线可编程（ISP）Flash程序存储器；1KB片内在线可编程EEPROM数据存储器。 2个带有分别独立、可设置预分频器的8位定时器/计数器；1个带有可设置预分频器、具有比较、捕捉功能的16位定时器/计数器；1个可编程的增强型全双工的，支持同步/异步通信的串行接口USART；1个可工作于主机/从机模式的SPI串行接口（支持ISP程序下载）；指令处理采用流水线操作，处理器速度较快，ATmega32共有32个可编程的I/O口，具有较强的驱动能力。本次设计中采用T9拼音输入法，程序所需空间较大，对处理器的速度要求较高，故采用ATmega32单片机[12]。 3.3.2 ATmega32单片机的封装及外部引脚 ATMEL公司的AVR单片机是一种基于增强RISC结构的、低功耗、CMOS技术、8位微控制器，本次设计中采用的是ATmega32。AVR单片机吸收了DSP双总线的特点,采用Harvard总线结构,因此单片机的程序存储器和数据存储器是分离的,并且可对具有相同地址的程序存储器和数据存储器进行独立的寻址。在AVR单片机中,寄存器由32个通用工作寄存器组成,提高了系统的性能。 AVR单片机还支持Basic、C等高级语言编程。采用高级语言对单片机系统进行开发是单片机应用的发展趋势。对单片机用高级语言编程可很容易地实现系统移植,并加快软件的开发过程。 ATmega32单片机有三种形式的封装：40脚双列直插PDIP、44脚方形的TQFP和MLF形式（贴片形式）。本次设计中采用40个引脚的双列直插形式,其外部引脚封装如图3-1所示。 SHAPE \* MERGEFORMAT 各个引脚的功能如下: Vcc:芯片供电（片内数字电路电源）输入引脚，使用时连接到电源正极。 AVcc：为端口A和片内ADC模拟电路电源输入引脚。不使用ADC时，直接连接到电源正极。 AREF：使用ADC时，可作为外部ADC参考源的输入引脚。 GND:芯片接地引脚，使用时接地。 XTAL2：片内反相振荡放大器的输出端。 XTAL1：片内反相振荡放大器和内部时钟操作电路的输入端。 RESET：芯片复位输入引脚。在该引脚上施加（拉低）一个最小脉冲宽度为1.5uS低电平，将引起芯片的硬件复位（外部复位）。 I/O引脚：分成PA、PB、PC和PD四个8位端口，他们全部是可编程控制的双（多）功能复用的I/O引脚（口）。 3.3.3 ATmega32单片机的通用I/O口设计 ATmega32芯片有PORTA、PORTB、PORTC、PORTD（简称PA、PB、PC、PD）4组8位，共32路通用I/O接口，分别对应于芯片上32根I/O引脚。所有这些I/O口都是双功能复用的。其中第一功能均作为数字通用I/O接口使用，而复用功能则分别用于中断、时钟/计数器、USART、SPI串行通信、模拟等应用。 每组I/O口配备三个8位寄存器，它们分别是方向控制寄存器DDRx，数据寄存器PORTx，和输入引脚寄存器PINx（x=A\B\C\D）。I/O口的工作方式和表现特征由这3个I/O口寄存器控制。 方向控制寄存器DDRx用于控制I/O口的输入输出方向，即控制I/O口的工作方式为输出方式还是输入方式。 当DDRx=1时，I/O口处于输出工作方式。此时数据寄存器PORTx中的数据通过一个推挽电路输出到外部引脚。AVR的输出采用推挽电路提高了I/O口的输出能力，当PORTx=1时，I/O引脚呈现高电平，同时可提供输出20mA的电流；而当PORTx=0时，I/O引脚呈现低电平，同时可吸纳20mA电流。因此，AVR的I/O在输出方式下提供了比较大的驱动能力，可以直接驱动LED等小功率外围器件。 当DDRx=0时，I/O处于输入工作方式。此时引脚寄存器PINx中的数据就是外部引脚的实际电平，通过读I/O指令可将物理引脚的真实数据读入MCU。此外，当I/O口定义为输入时（DDRx=0），通过PORTx的控制，可使用或不使用内部的上拉电阻。 3.3.4 ATmega32单片机的中断系统 AVR单片机一般拥有数十个中断源，每个中断源都有独立的中断向量。缺省情况下，AVR的程序存储区的最低端，即从Flash地址的0x0000开始用于放置中断向量，称作中断向量区。ATmega32共有19个中断数目,在这19个中断中，包含1个非屏蔽中断（RESET）3个外部中断（INT0、INT1、INT2）和15个内部中断。 在AVR单片机中，一个中断在中断向量区中的位置决定了它的优先级，位于低地址的中断优先级高于位于高地址的中断。因此，对于ATmega16来说，复位中断RESET具有最高优先级，外部中断INT0次之，而SPM_RDY中断的优先级最低。 AVR单片机采用固定的硬件优先级方式，不支持通过软件对中断优先级的重新设定。因此中断优先级的作用仅体现在当同一时刻有两（多）个中断源向MCU申请中断的情况中。在这种情况下，MCU将根据中断的优先级的不同，把低优先级的中断挂起，首先响应中断优先级最高的那个中断。待优先级最高的中断服务程序执行完成返回后，再顺序响应优先级较低的中断。 3.4 无线通信模块的应用 3.4.1 无线通信模块 无线传输模块则实现具体的数据传输，具体的传输方式为通过2.4GHz频段建立一个微微网，同一个区域多个微微网的互联形成分散网。通过这种网络，各种文字信息都能实时传输到网络中的各个节点，将指令迅速传达下去。根据系统的需求选择适合的无线数据传输模块。无线数据传输模块的关键器件是无线通信芯片。无线通信的另一个关键问题是数据传输的可靠性,这取决于诸多因素,如频率选择、同频干扰、传输距离、天线选择等,这些在设计无线通信系统时都要认真考虑和比较。无线通信芯片的种类较多，正确选择所需要的芯片非常重要。主流芯片性能比较如下 表3-3 芯片参数比较（表格中为芯片可实现的最大值） 名称 灵敏度 工作频段 调制方式 传输速率 模块功率 nRF2401 -85dbm 433MHz GFSK 1Mbps 61.5mW SRW1012 -121dbm 240-930MHz OOK,FSK,GFSK 256kbps 92.5mW 从上面的表格可以看出，nRF2401支持多点间通信,最高传输速率超过1Mbps。它采用SOC方法设计,芯片内置频率合成器、晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通过程序进行配置[13]。但是芯片传输距离较短，工作频段范围较窄，模块间互联方式单一，不适合大范围、广泛联网。 SRW1012是一款先进的低成本射频收发模块，可提供覆盖240MHz至930MHz的频率选择。可使模块间组合、互联的方式更加灵活，便于许多模块联网，建立更加广泛、覆盖面广的网络。极佳的接收灵敏度和传输距离，可保证大范围、高连接的卓越性能。模块外围元器件极少，模块大小为24mm×16mm。本模块芯片采用无铅封装，它还集成了一些可节省应用成本的特性，如发射和接收数据FIFO、上电复位电路、通用数字I/O口等。芯片的灵敏度，覆盖的频段和传输距离可以满足系统的需求，且模块本身价格经济，故选择SRW1012芯片作为系统的收发模块。 3.4.2 SRW1012无线通信模块的引脚说明 表3-4 芯片引脚说明 引脚 引脚名称 I/O 功能描述 1/12 GND GND 接地 2 GPIO0 I/O 通用数字IO口；可以被配置为各种功能；例如，作为外部MCU的时钟输出；FIFO状态输出，上电复位（POR），唤醒定时器（wake-up timer），低电压检测，分集天线控制等等，0x0B对应GPIO0，0x0C对应GPIO1，0x0D对应GPIO2。 3 GPIO1 I/O 4 GPIO2 I/O 5 +3.3V VDD +1.8- +3.6V 供电电压输入；建议VDD供电电压为3.3V。 6 SDO O SPI的一个引脚，0–VDD V 的数字电压输出；串行输出内部控制寄存器的内容；当模块的SPI接口接受到一个读命令后，内部寄存器的值将通过该引脚输出。 7 SDI I 串行数据输入；0–VDD V的数字电压输入；该引脚作为4线串行数据总线（SPI）的串行数据输入引脚；数据流通过该引脚输入模块。 8 SCLK I 串行时钟输入；0–VDD V数字输入；该引脚为4线串数据总线提供串行数据时钟；数据流在该时钟信号的正跳变被送入模块。 9 NSEL I 串行接口设备选择输入，就是4线SPI总线的片选信号引脚；0–VDD V数字电压输入；该引脚提供4线串行数据总线的选择信号功能。 10 NIRQ O 通用微控制器中断状态信号输出；当SRW1011产生任何中断事件的时候该引脚将被置为低电平；微控制器（MCU）通过读取相应的中断状态寄存器0x03,0x04来获得具体的中断状态，进行处理；当中断状态寄存器被读取后该引脚置为高电平。要让中断产生，必须设置0x05，0x06寄存器使能相应的中断使能位。不需要上拉电阻。 11 SDN I 深度睡眠（关机）控制输入引脚。0-VDD的数字电压输入；除了深度睡眠模式外，其他各种工作模式下，SDN应该为低电平；当SDN为高电平，整个模块将进入深度睡眠模式并且所有寄存器的设置值将丢失。 在SRW1012这一个产品中，GPIO0和GPIO1不能做其他用途，只能于控制模块内部的电路，只能使用GPIO2做其他用途。如果要打开发射，那么除了设置相应的寄存器外GPIO0应该被设置为输出低电平，GPIO1应该被设置为输出高电平。如果要打开接收机那么除了设置相应的寄存器外，GPIO0应该被设置为输出高电平，GPIO1应该被设置为输出低电平。要让一个GPI口输出高电平，除了设置对应的寄存器为输出VDD外，也可以先设置该IO口为数字输出，然后设置0x0寄存器中对应位为1。 3.4.3 标准SPI接口 本模块通过标准的4线SPI接口与外边MCU进行通信，4线为NSEL,SCLK,SDI和SDO。外部MCU通过SDI往模块中配置数据，通过SDO从模块中读出寄存器数值。外部MCU与模块的通信传输以16bits为基本单位。最高位为读写标志位（读0写1），接着7位为寄存器地址，低8位是写入或者读出的数据。SPI接口支持一般单个字节的读写以及多字节读写（Burst Mode）。下图为SPI口的时序图。 SHAPE \* MERGEFORMAT 3.4.4 无线通信模块工作模式 本模块支持数据包自动处理功能，只要开启该功能就能由芯片自动处理数据包结构，只要读写相关寄存器就可以得到或者配置数据包内容。本模块的工作模式有3种，分别是FIFO模式，Direct Mode以及PN9模式。 在FIFO模式下，模块先利用内部的先入先出缓冲区来进行数据发送和接收。可以连续读取0x7F寄存器得到FIFO中的内容，要发送数据只要往该寄存器连续写入数据就可以。具体参考数据手册的详细描述。 在直接收发模式下，用户可以配置内部寄存器把收到的数据和相关时钟通过GPIO口输出，或者利用GPIO口输入要发送的数据。 PN9模式下，发送的数据是内部产生使用伪随机码发生器。这种模式可以用作测试模式不断观察调制频谱，而不必负载/提供数据。 3.5 LCM12864液晶显示模块特性 液晶显示器件与LED相比,具有工作电压低、功耗低、显示信息量大、寿命长等优点。因此,在移动通信、仪器仪表、电子设备和家用电器等方面有着日益广泛的应用。LCD可分为段式LCD、字符式LCD和点阵式LCD。字段式液晶类似于LED。点阵字符式液晶内置有192个字符,包括数字、字母、常用标点符号等。点阵图形液晶除可显示字符外,还可显示各种图形信息、汉字等,显示自由度大。 在本次设计中将采用LCM12864ZK液晶显示模块，因为其内部自带二级中文字库、图形，包含了常用6000多个汉字及常用图形，降低了编程的难度及对控制芯片内存大小的要求，显示清晰，功能较强，控制简单，价格经济，所以是实验室中经常采用的器件之一[14]。LCM12864ZK显示内容128x64点阵，可显示4行,每行可显示8个汉字。具有4种工作模式；并行8位、并行4位、串行3线和串行2线。本次设计中采用与单片机的并行8位工作模式。 3.5.1 引脚说明 表3-5 液晶模块引脚说明 引脚 符号 引脚描述 1 K 背光负极 2 A 背光正极 3 GND 接地 4 VCC 3V 工作电压 5 NC 未用 6 RS/CS 选择寄存器(并行) 0:指令寄存器1:数据寄存器 片选（串行） 0：禁止1：允许 7 RW/SID 读写控制引脚（并行）0：写入1：读 输入串行数据 8 E/SCLK 读写数据起始引脚（并行） 输入脉冲,串行 9-16 D0-D7 数据线0-7 17 PSB 控制界面 0：串行 1：并行 18 /RST 复位信号，低有效 19 VR 对比度调节，外接电阻端 20 VO 对比度调节，外接电阻端 3.5.2 并行接口数据传输 当PSB脚接高电平时,模块将进入并行传输方式(由指令位DLFLAG选择8位或4位接口)，主控制系统将配合(RS RW E DB0—DB7)来完成传输动作。每当E引脚上出现一个脉冲,RS和RW同时为低电平时,写入命令字,RS为高电平且RW为低电平时,写入数据,RS和RW同时为高电平时,读液晶数据寄存器,RS为低且RW为高时,读指令寄存器状态。8位传输模式如图3-3，指令操作如表3-6所示。 SHAPE \* MERGEFORMAT 表3-6 指令操作表 E 出现脉冲 RS 0 1 1 0 RW 0 0 1 1 执行操作 写入命令字 写入数据 读数据寄存器 读指令寄存器 当E上出现一个脉冲时，RS,RW为低电平，写入命令字，之后，RS为低电平，RW为高电平，则读指令寄存器内容；随后RS、RW同为高电平，读数据寄存器内容，随后E上每出现一个脉冲，则读入DB0-DB7的数据。 3.5.3 液晶接口电路及说明 采用的是OCCULAR公司的LCM12864液晶片。Vo是液晶需要的负压,可以通过与它相连的可调电阻来调节电压大小,电压变化范围为-10-0V。A和K是背光电压调节脚,K与地相连,所以与A相连的可调电阻实际上是在调节A的电压,一般只有LEDA>4V时,背光才发生作用。VO和A这两个一般都可以事先调好。PC.7、PC.6、PB.3、P1.3、P1.4分别与液晶的E、R/W、RS相连,PC口与液晶的数据总线相连。接下来通过程序来控制这些引脚,从而使液晶显示需要的汉字。 3.5.4 液晶模块的使用说明 将屏幕划分为上下两部分，每部分包括两行，中间以小横线划分。上半部分为内容区，显示输入的文字内容，可以显示8*2共16个汉字。下半部分为选择区，上一行显示输入的拼音字母，下一行显示该拼音组合对应的汉字，每一行共可以显示8个汉字，按下对应的数字键即可以选择所需的汉字。按键“*”、“/”选择所需的拼音组合，按键“+”、“-”实现汉字的翻页功能，“NumLK”键为确认当前输入的拼音组合，即进入汉字选择的过程。每输入一个汉字后，拼音选择区将自动清空，以便接下来的输入。当模块初始化或未输入文本内容时，上部中间将提示课题题目，当文字发送后，上半部分将继续显示发送的内容，下半部分区域将显示“已发送”的字样。当输入的拼音组合不正确时，屏幕将会提示“不包括这种组合”，此时，按下“backpack”键即可逐一删除拼音字母，此时再输入正确字母即可。结构清晰明确，操作简单易懂，极大得方便了使用人员的快速入门及准确操作，使人机交互界面简洁有效。 3.6 PS/2接口电路原理 目前,在嵌入式智能仪器仪表中,常用LCD加键盘实现人机接口,在实际应用中人机界面需要显示汉字。如果用简单的控制键盘实现英文甚至汉字的输入,则程序较复杂,PC上用的标准PS/2键盘,可通过简单的接口实现与MCU的连接,利用成熟且普及的PC键盘,可实现复杂的输入,对于MCU并不占用很多口线,甚至口线复用,可仅在需要输入时再接上键盘，是一种较好的键盘解决方案[15]。 3.6.1 PS/2键盘接口的物理特性 PS/2接口用于许多现代的鼠标和键盘,由IBM最初开发和使用。如图1所示,物理上的PS/2接口有两种类型的连接器:5脚的DIN和6脚的mini DIN。在使用时由单片机提供+5V电源给键盘,键盘的地直接接在电源地上。本次设计中采用了六脚的接口电路。相应引脚说明如图3-4所示。 3.6.2 PS/2键盘的接口协议原理 PS/2键盘采用一种双向同步串行协议。即每次向时钟线上发送一位脉冲就在数据线上发送一位数据。相互传输中,主机拥有总线控制权,可以把时钟线一直拉低来抑制来自键盘的通讯。从键盘发往主机的数据在时钟信号的下降沿被读取,主机发往键盘的数据在上升沿被读取。不管通讯的方向怎样,总是键盘产生时钟信号,如果主机要发送数据,必须首先告诉键盘开始产生时钟信号,具体过程:主机首先下拉时钟线至少100μs抑制通信,然后再下拉数据线最后释放时钟线,键盘检测到这一时序状态,会在10ms内产生时钟信号,如图所示,键盘在时钟脉冲标记下输入八个数据位和一个停止位后,键盘将数据线拉低并产生最后一个时钟脉冲。如果键盘向主机发送数据,首先检查时钟以确定它是否为高电平。如果不是,那么主机抑制了通讯,必须缓冲要发送的数据直到重新获得总线的控制权(键盘有16字节的缓冲区),即等到时钟线是高电平,就可以传输数据[16]。具体时序如图3-5所示。 SHAPE \* MERGEFORMAT 3.6.3 数据包结构 如上所示,在通讯中的八个数据位为通讯中的命令字,任何时候,主机都可以对键盘发送命令字。除以下两种情况外,键盘必须在20ms内应答确认命令字0FAH:(1)当主机发送ECHO指令(0EEH),表示通讯正常;(2)当主机要求重发数据时,键盘重发上次发送的数据。数据包命令字如表3-7所示。 表3-7 数据包命令字 主机发送的命令字 16进制值 键盘发送的命令字 16进制值 复位键盘 0xFE 应答成功码 0xAA 重新发送 0xFE 应答错误码 0xFC 键盘停止扫描 0xF5 ECHO 0xEE 重新使能键盘 OxF4 确认 0xFA ECHO 0xEE 重新发送 0xFE LCD状态 0xED 键盘发送到PC机的数据格式采用串行异步通信方式，即一位起始位，八位数据位（LSB在先），一位奇偶校验位P，一位停止位。键盘在有按键按下时,会向主机发送该按键的通码,当键释放时,发送断码,例如:“A”,通码为0x1C,断码为0xF0,0x1C。扩展按键通常通码与断码均要多一个字节,例如:Right Arrow通码为0xE00x74,断码为0xE0,0xF0,0x74。单个按键的接收: 1.按A：A通码+A断码:0x1C,0xF0,0x1C。 2.按Shift+a：Shift通码+a通码+a 断码+Shift断码。 3.6.4 键盘输入接口设计 在单片机嵌入式系统中，按键和键盘是一个基本和常用的接口，它是构成人机对话通道的一种常用的方式。按键和键盘能实现向嵌入式系统输入数据、传输命令等功能，是人工干预、设置和控制系统运行的主要手段。本次设计采用ATmega32单片机对标准键盘进行通信控制，接口结构如图3-6所示。 SHAPE \* MERGEFORMAT