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USB接口微型无线串口设计

作者:  发布:2012/6/29 浏览:1153

摘要 RS-232是异步通信中应用广泛的通讯协议之一,广泛应用于终端设备之间的相互通信。无线通信取代有线通信是技术发展的趋势,小巧精致便携是技术应用的需要,为此,文中利用主流USB接口加无线通信技术,开发出简单实用的USB无线串口。介绍了USB接口微型无线串口的制作方法,尺寸仅为54 mm×18 mm,体积小巧、携带方便、传输距离>100 m、性能稳定可靠,可广泛应用于各种实际场合。
关键词 RS-232;微型;USB无线串口

    RS-232串行协议是标准总线,广泛应用于各种设备之间的通信。随着电子技术的发展,笔记本电脑逐渐取代台式机成为个人PC的主流,而笔记本去除了9针串行通信接口,取而代之是USB接口,使得笔记本串行通信受阻。而一般的串口通信距离短、接线复杂。为此,文中制作一种USB型接口的无线串口,其接插方便、小巧精致、简单实用,更适合办公室、实验室及户外设备之间的通信。

1 无线串口设计原理
1.1 总体框架图
    硬件总体结构如图1所示,基本原理为:串口数据从USB接口进入,经过USB转串口芯片将USB封装的包转成RS232形式的数据,再通过无线射频芯片由天线发送出去。

b.JPG


1.2 具体特点
    当空间中存在多个无线串口设备时,能识别出各个设备的身份,通过交互后能跟目的设备建立无线连接通道,并能互发数据。例如:当空间中存在A,B,C,D这4个无线串口时,A要给D发送数据,通过A与D的交流,A能准确地将数据发送给D而不会影响到B和C。
    RS-232在没有Modem情况下,传输距离为15 m以内,15 m的线长笨重复杂,布线繁琐,还会产生电磁干扰、信号衰减严重。采用无线传输技术,避免复杂的布线,且传输距离长,能较好地解决长距离传输问题。
    尺寸为:54mm×18 mm,与U盘大小类似,精致方便,适合户外、办公室使用。

2 芯片选择
    因为尺寸上的要求,选择的芯片尺寸应尽量小,而且外围简单,性能稳定并且价格要合理。
2.1 USB转串口芯片
    USB转串口芯片选择性价比高的PL2303HX,如图2所示,特性如下:(1)支持全速USB V2.0。(2)片内拥有5 V转3 V的稳压器,12 MHz晶体振荡。(3)支持全双工串口,6个调制解调控制脚(RTS,CTS,DTR,DSR,DCD,RI)。(4)独立的串口电源。(5)可编程速率75 bit·s-1~6 Mbit·s-1。

c.JPG

2.2 无线射频芯片
    射频芯片选择使用TI公司的CC2530,如图3所示特性如下:(1)集成2.4 GHz射频收发器。(2)-97 dBm接收灵敏度。(3)可编程输出达4.5 dBm。(4)高性能工业级8051 CPU。

d.JPG


2.3 天线选择
    天线选用RainSun公司的陶瓷天线AN2051,图4所示,其特性如下:(1)中心频率为2.45 GHz。(2)中心频率处回波损耗-17.266 dB。(3)带宽110 MHz。(4)天线增益为0.5 dBi。(5)尺寸51 mm×20 mm×12 mm。

a.JPG



3 传输距离估算
3.1 自由空间传播损耗L0
    自由空间传播损耗L0定义:当发射天线与接收天线的方向系数都为1时,发射天线的辐射功率Pr与接收天线的最佳接收功率PL的比值,记为L0
     e.JPG

3.2 衰减因子
    实际传输媒质对电波有吸收作用,这将导致电波的衰减。如果实际情况下接收点场强为E,而自由空间传播场强为E0,则比值f.JPG为衰减因子,记为A,于是
    g.JPG
3.3 电道传输损耗
    定义:发射天线输入功率与接受天线输出功率之比为该电道的传输损耗L
    L=L0+LF-Gr-GL      (9)
    式中,L0为自由空间传播损耗;LF为衰减因子衰减损耗;Gr为发射天线的增益系数;GL为接受天线的增益系数。
    如果发射天线的输入功率为Pin,由式(2),式(4)和式(9)得相应的功率密度和最佳接收功率分别为
    i.JPG
3.4 最大距离估算
    式(12)分贝表达式为
    L=Pin-PL=L0+LF-Gr-GL     (13)
    式中忽略了馈线损耗,系统设计中馈线损耗主要为天线的回波损耗,由图4可知,2.45 GHz同波损耗为-17.266 dB,回波损耗。
    其中,Pout为CC2530的输出功率;Pr为反射功率;Pr=Pout-Pin,由上式求得k.JPG,则馈线损耗为
    Lm= l.JPG
    所以,式(13)变为
    L=Pout-PL=L0+LF+Lmr+LmL+-Gr-GL      (15)
    式中,Lmr为发射器馈线损耗;LmL为接收机馈线损耗。
    CC2530可编程输出功率4.5 dBm,接受灵敏度为-97 dBm,发射机和接收机用同样的天线,增益均为0.5 dBi,中心频率为2.45 GHz,由式(15)得
    4.5-(-97)=32.45+20 lg 2 450+20 lgr+2×0.082-2×0.5      (16)
    解得r=1 273.5 m。如果室内有墙体间隔,则38 cm厚混凝土墙衰减约7 dB,解得r=568.8 m。以上计算忽略了其他阻挡物的附加衰减,例如大树,空气,微尘颗粒等。所以,该系统设计完全能满足>100m的传输距离要求。

4 硬件设计电路图
    电路如图5所示,USB提供串口数据流,数据流通过PL2303HX转化成TTL串口信号,输入到CC253016,17脚,P2,P3为传输数据指示灯,经处理后的串口信号由25,26脚经巴伦天线输出。系统电源由USB5 V提供,PL2303 17脚输出系统所用的3.3 V电源。JUMP_3是一跳线,当无线串口正常工作时,连接跳线1,2脚,当烧写CC2530程序的时候,连接跳线2,3脚。

m.JPG


 

5 软件设计
5.1 系统指令

n.JPG


5.2 软件流程图
    CC2530软件流程如图6所示。

o.JPG


    设备初始化:将信道设置为2.45 GHz,为设备设定一个网络地址,初始化各种发射接收参数,完毕后进入等待指令输入模式。
    等待指令输入模式:等待用户输入指示。
    数据互发模式:一旦进入数据互发模式,两设备间建立通信通道,将进入数据透传模式,所有指令对设备均无效,所以通信完毕后,必须拔下再重新上电才能与另外设备通信。

6 实验测试
    测试距离约120 m;时间:22:30分;地点:田径场,有人员走动;

p.JPG


    实测距离约120 m,实际测试结果如图7所示,发送查询指令C,检测到空间存在有Song,Wang,Bai,Zhang 4个设备存在,然后向Song节点请求发送数据,Song节点回复Y,本节点与Song节点建立起数据通讯,之后进入数据互发模式。经实测证明,120 m户外距离,通讯稳定可靠。

7 结束语
    介绍了USB接口微型无线串口的制作方法,尺寸仅为54 mm×18 mm,体积小巧、携带方便,传输距离>100 m,性能稳定可靠,可广泛应用于各种实际场合。

 
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