基于433MHz的微功率无线通信系统的设计与应用

摘要

经历过几次阶段性跨越发展之后，今天的无线通信技术已经被广泛用于我们平时的日常生活之中。而短距离无线通信技术，作为其重要的一支，也得到了长足的发展。从常见的红外通信、蓝牙通信和WiFi到超宽带通信技术以及Zigbee，虽然种类多样，但是对“短距离、微功率、且有一定穿墙能力的低成本无线通信”这一需求来说，上述几种方法都不能很好的满足。针对这一问题，本文设计并开发了基于433MHz的短距离微功率无线通信系统终端。
　　首先，本文对该系统的应用场景做了简单介绍，并给出了较为全面的需求分析。经过多种方案的比较之后，根据本项目的整体需求，选择了瑞萨公司的RL78系列G13族芯片作为嵌入式平台，并据此提出了微功率无线通信系统终端的总体方案。硬件上围绕主控芯片R5F100FE和射频芯片Si4432进行了功能模块的划分以及各模块的电路原理图的设计。随后根据各模块的原理图，进行了符合PCB设计流程及规范的印刷电路板设计工作，完成了元器件布局和布线。
　　其次，本文介绍了如何搭建软件编写环境和硬件测试环境，同时对微功率无线通信终端的基础软件系统需求进行了分析，总结出需要实现的功能，并根据该功能需求设计了无线通信终端主从机各自的状态机制，给出了各自的状态图。为了实现微功率的指标，系统的主程序采用了一种“中断检测处理”的设计思路，这样可嵌入式微控制器大部分时间处于低功耗的休眠状态，当有需要处理的任务出现时再进行处理。无线通信部分的系统软件，严格定义了通信包和无线通信收发的流程。此外还设计了主机无线空中唤醒休眠从机的流程，并给出了严谨的唤醒操作时序图，从而解决了无线通信模块微功率的实现问题。
　　然后，对微功率无线通信系统终端的实物进行了各种测试，其中包含系统功能测试和性能可靠性测试。经过不断的反复的测试表明，本文设计与开发的微功率无线通信系统实现了基于433MHz的短距离无线通信，并且有一定的穿墙通信能力。此外还同时完美实现了微功率指标。整个系统运行稳定，满足了小范围内短距离无线通信组网的需求。
　　最后，对该微功率无线通信系统终端在医疗陪护方面的实际应用做了相关探讨与设计，根据国内目前的医疗陪护通信需求做了对系统软件深入优化，并给出了小型组网的简单协议。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 无线通信技术概述

1．1．1 短距离无线通信

1．1．2 各短距离无线通信技术比较

1．2 国内外研究动态

1．2．1 Zigbee无线传感网络

1．2．2 433MHz的应用与组网

1．3 课题研究背景及意义

1．4 课题来源

1．5 本文主要内容及结构

第2章 微功率无线通信系统的总体设计

2．1 需求分析

2．2 总体设计方案

2．3 微功率无线通信终端的硬件平台选择

2．4 微功率无线通信系统的总体框图

2．5 主要芯片选型

2．5．1 MCU选型

2．5．2 无线通信芯片选型

2．6 本章小结

第3章 微功率无线通信系统的硬件设计

3．1 硬件组成框图

3．2 最小系统电路

3．2．1 电源模块电路

3．2．2 RL78G13_R5F100FE处理器电路

3．2．3 时钟电路

3．2．4 复位电路

3．3 无线通信模块电路

3．3．1 无线通信模块电路总设计

3．3．2 无线通信芯片与MCU的接口电平转换

3．3．3 无线通信模块的PA配置

3．3．4 无线通信模块的LNA配置

3．3．5 半双工通信的实现

3．4 串口电路

3．5 液晶显示电路

3．6 电压检测(LVD)电路

3．7 实时时钟(RTC)电路

3．8 调试及其它接口电路

3．8．1 调试串口电路

3．8．2 指示灯电路

3．8．3 键盘及按键中断电路

3．9 PCB的设计与实现

3．9．1 PCB设计流程

3．9．2 微功率无线通信系统终端的PCB设计

3．10 本章小结

第4章 微功率无线通信系统的软件设计

4．1 软件需求分析与整体设计思路

4．1．1 软件需求分析

4．1．2 软件设计思路

4．1．3 状态机制设计

4．2 系统开发环境搭建

4．2．1 硬件开发环境的搭建

4．2．2 软件开发环境的搭建

4．3 微功率无线通信系统程序设计

4．3．1 系统程序设计

4．3．2 无线通信模块程序设计

4．3．3 其他模块程序设计

4．3．4 微功率的实现

4．3．5 本章小节

第5章 实物图及系统测试结果与分析

5．1 实物图

5．2 在调试过程中碰到的问题及对策

5．3 最小系统调试

5．4 系统功能测试

5．4．1 无线通信测试

5．5 性能可靠性测试

5．6 本章小结

第6章 微功率无线通信系统的应用

6．1 医疗通信系统网络框架

6．2 医疗通信系统网络单元设计

6．2．1 护士站主机终端

6．2．2 病人从机终端

6．2．3 护士从机终端

6．2．4 通信协议设计

6．3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间参加的科研项目

附录B (公示的专利)

附录C 部分程序代码