truyền dữ liệu không dây bằng sóng rf

Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 1 - NỘI DUNG Phần I Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 2 - I.1. Mục tiêu Truyền dữ liệu không dây là một mảng lớn trong điện tử thông tin, dữ liệu được truyền đi có thể là tương tự cũng có thể là số. Trong truyền dữ liệu không dây, hiệu quả nhất vẫn là truyền bằng sóng điện từ hay sóng Radio, bởi những ưu điểm là truyền ở khoảng cách xa, đa hướng, tần số hoạt động cao. Hiện nay, truyền dữ liệu số được ứng dụng rất rộng rãi, nhất là trong lónh vực điều khiển, thông tin số. Nhiều vi mạch hỗ trợ xử lý tín hiệu không dây được sử dụng như PT2248, PT2249, PT9148, PT9149, HT12D… Vấn đề đặt ra là các vi mạch này truyền dữ liệu chỉ dành cho mục đích riêng là điều khiển thiết bò, thông tin được truyền đi đã được mã hoá sẵn, số bit dữ liệu truyền đi thấp, không phù hợp với nhu cầu truyền dữ liệu hàng loạt và liên tục. Giải quyết vấn đề này, em tận dụng khả năng của vi điều khiển về truyền nhận dữ liệu nối tiếp nhờ vào bộ UART trong chíp. Vi điều khiển có khả năng thực hiện truyền thông đa xử lý rất thích hợp cho việc truyền dữ liệu trong một hệ thống mạng không dây gồm nhiều bộ xử lý tớ. Đề tài xây dựng một hệ thống đơn giản gồm một board phát dữ liệu và một board thu dữ liệu. Dữ liệu bên phát được thiết lập bởi các công tắt đơn và được mã hoá bằng vi điều khiển. Một module phát sẽ được nối vào vi điều khiển thực hiện điều chế ASK và phát dữ liệu tới bên thu. Bên thu thu nhận tín hiệu RF bằng một mạch thu siêu tái sinh, dữ liệu thu được sẽ được vi điều khiển mã hoá và hiển thò dữ liệu đó ra các led đơn. Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 3 - I.2. Sơ đồ khối của hệ thống Hình 1.2.1. Sơ đồ khối bên phát Hình 1.2.2. Sơ đồ khối bên thu Các công tắc chuyển mạch Vi điều khiển AT89S52 Module mã hóa tín hiệu và phát RF Module thu RF Vi điều khiển AT89S52 Các led đơn hiển thò Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 4 - I.3. Thiết kế và thi công I.3.1. Thiết kế và thi công mạch phát I.3.1.1. Thiết kế và tính toán a. Module vi điều khiển và công tắc thiết lập dữ liệu: -Sơ đồ mạch: MOSI VCC SW3 SW DIP-8 P2.3 U1 AT89S52 11 12 13 14 15 16 17 18 19 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD XTAL2 XTAL1 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 PSEN ALE/PROG EA/VPP P0.7/AD7 P0.6/AD6 P0.5/AD5 P0.4/AD4 P0.3/AD3 P0.2/AD2 P0.1/AD1 P0.0/AD0 VCC P1.0/T2 P1.1/T2EX P1.2 P1.3 P1.4/SS P1.5/MOSI P1.6/MISO P1.7/SCK RST P3.0/RXD R3 330 P2.6 led6 P2.4 RN1 330 1 16 2 15 3 14 4 13 5 12 6 11 7 10 8 9 R7 4.7K led2 SCK MOSI led7 Y1 VCC bat dau truyen VCC D9 LN10204 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 MISO Start VCC led3 led5 led8 Serial data out R1 330 Reset ISP Programming 1 2 3 4 5 6 RST SCK C2 33p R2 4.7k 12 3 4 5 6 7 8 9 led7 RST C1 10uF led1 P2.1 led2 led4 P2.2 MISO Start led3 C3 33p P2.5 led6 led4 P2.0 VCC led5 led8 P2.7 led1 Hình 1.3.1. Sơ đồ mạch điện khối vi điều khiển - Nguyên tắc hoạt động: trên sơ đồ mạch hình 1.3.1, 8 SW độc lập được kết nối với P2 của vi điều khiển, để thiết lập giá trò của P2, đồng thời cũng thiết lập dữ liệu truyền đi. Dữ liệu này sẽ được hiển thò lại trên 8 led đơn bằng phần mềm. Vi điều khiển chờ phím "bat dau truyen" được nhấn sẽ truyền dữ liệu nối tiếp qua chân TxD đến mạch phát RF. Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 5 - b. Module phát RF -Sơ đồ khối: - Thiết kế khối dao động: trong mạch phát tín hiệu RF, tần số sóng mang được tạo ra bởi khối tạo dao động, tần số sóng mang trong truyền dữ liệu thường lớn hàng chục đến hàng trăm MHz, trong các hệ thống chuyên nghiệp như mạng Wireless, thông tin vệ tinh, tần số tới hàng GHz. Trong phạm vi của đề tài, thuộc phạm vi điều khiển nghiệp dư nên tần số sóng phát ra phải nằm trong dải tần điều khiển nghiệp dư để tránh gặp các nhiễu của tần số chuyên nghiệp. Theo đó, tần số này thường nằm trong khoảng 70 – 80Mhz. Với tần số này, thạch anh tạo dao động rất hiếm và đắt tiền, chỉ có thể dùng thạch anh giá trò nhỏ rồi thực hiện nhân tần, nhưng phương pháp này quá phức tạpù. Với tính phổ biến, dải tần hoạt động rộng, em chọn mạch dao động cộng hưởng LC làm mạch dao động nội, điển hình là mạch dao động ba điểm điện dung Colpitts. Sơ đồ mạch bên dưới. Rb C1 C Cb2 VCC Q1 C1906 Re L Cb1 C2 Tín hiệu so á x(t) Daộng fo Khuếch đại và phối hợp trở kháng Đ iều che á Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 6 - Hình 1.3.2. Sơ đồ mạch dao động Colpitts - Tính tần số sóng mang và thiết lập điều kiện dao động: Sơ đồ hình 1.3.2 trong chế độ AC: I1 C1 C2 C Lhib B EC Trong đó Cb1, Cb2 có giá trò lớn, với tín hiệu AC tần số cao, coi như được nối tắt. Đặt : Z 1 = Z C1 nt ( Z C2 // hib) Z 2 = Z C // Z L C 1 Do đó: Z 1 = 1 C 1 s + ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + 2 2 1 1 sC hib sC hib = ( ) 21 2 1 21 1 ChibCssC CCshib + ++ (1) Z 2 = sC sL sC sL 1 1 + = LCs sL 2 1+ (2) Điện áp ra: Vo = )//( 21 ZZih efb = 21 21 ZZ ZZ ih efb + Điện áp vào: Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 7 - Vi = eib ih Vậy hệ số khuếch đại áp sẽ là: Vi Vo A v = = 21 21 ZZ ZZ h h ib fb + × (3) Xét quá trình hồi tiếp từ cực C về cực E qua tụ C 1 : Vc Ve = β = 1 2 1 // Z sC h ib = () 12 1 ZCsh h ib ib + (4) Từ (3) và (4) suy ra: β v A = × + × 21 21 ZZ ZZ h h ib fb () 12 1 ZCsh h ib ib + = 221 2 1 1 CshZZ Z h ib fb + × + × Từ (1) và (2), khai triển biểu thức trên ta được: β v A = () × + ++ + + + × 21 2 1 21 2 2 1 1 1 ChibCssC CCshib LCs sL LCs sL h fb 2 1 1 Csh ib + = () [] () 21 2 21 2 1 2 11)(1 CshLCsCCshLCs LCs h ibib fb +++++ × (5) Xét thành phần tín hiệu sin, khi đó, ω j s = , thay vào biểu thức (5) ta được: β v A = () [] () 21 2 21 2 1 2 11)(1 ChjLCCChjLC LC h ibib fb ωωωω ω +−++− − × = () () [] 21 2 21 2 1 22 1 2 11 CLCCCLChjLCLC LC h ib fb ωωωωω ω ++−−−− − × Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 8 - Để mạch dao động, phải thoả điều kiện biên độ và pha. Nghóa là: Từ hệ phương trình này, để Arg( β v A ) = 0, điều kiện cần và đủ là: ( ) () 21 2 21 2 1 CLCCCLC ωω ++− = 0 (6) ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + + ==⇒ 21 21 0 1 CC CC CL ωω π ω 2 0 0 =⇒ f = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + + 21 21 2 1 CC CC CL π : Đây chính là tần số dao động riêng của mạch dao động. Để 1≥ β v A , kết hợp với (6) ta được: 1 1 1 22 1 2 ≥ −− × LCLC LC h fb ωω ω ⇔ 1 1 21 ≥ + × C CC h fb Do 1= fb h và 1 21 C CC + 1> 21 ,CC ∀ nên điều kiện biên độ luôn được thoả mãn. -Thiết kế lựa chọn các linh kiện: Trong đề tài, C = 47pF, C1 = 22pF, C3 = 33pF, cuộn cảm = n 5 vòng dây Phi 0.3mm, quấn trên loiõ không khí bán kính = r 5mm( = 0.197 inches, dài =l 5mm(=0.197inches) . Độ tự cảm L của cuộn dây sẽ là: ⎩ ⎨ ⎧ = ≥ 0)( 1 β β v v AArg A Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 9 - lr rn L 109 22 + = = 0.084 H μ Khi đó tần số dao động của mạch dao động là: = 0 f ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + + 21 21 2 1 CC CC CL π ≈ 70.7 Mhz - Điều chế ASK (Amplitude - Shift - Keying) : Điều chế ASK là một dạng của điều chế AM, tín hiệu tin tức là tín hiệu số. Trong điều chế ASK có các loại điều chế như BASK (binary Amplitude Shift Keying) và đôi khi còn gọi là điều chế OOK (On/Off Keying), MASK (MaryAmplitde Shift Keying). Trong điều chế BASK, với tín hiệu vào số là m(t), tần số sóng mang là V c = Asin t 0 ( ω ), tín hiệu sau khi điều chế sẽ là : s(t) = m(t)Asin t c ω ( ) với m(t) nhận các giá trò 0 hoặc 1. Giản đồ sóng như sau: Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 10 - 1.3.3. Điều chế BASK Từ phương thức điều chế BASK, cho thấy việc truyền dữ liệu theo chuẩn này chính là việc cho phép hoặc không cho phép mạch dao động hoạt động. Cụ thể: bit 1 của dữ liệu qui đònh bộ dao động hoạt động, bit 0 không cho phép. Để giải quyết vấn đề này, một transistor công suất âm tần được sử dụng cho vệc đóng ngắt mạch dao động. Sơ đồ mạch được biểu diễn trên hình 1.3.4. R3 2.2k R1 10k C7 60p VCC Q3 C828 C4 10p Data in C6 103 C8 47p L2 C1 103 R6 4.7k L3 C5 30p C3 47p C2 103 L1 Q4 2N1070 VCC R2 10k Q1 C1906 Hình 1.3.5. Sơ đồ module phát RF Tần khuếch đại phía sau là một tần khuếch đại công suất cao tần được mắc theo kiểu E chung, hoạt động ở chế độ AB. Tần số sóng mang là 70.7 MHz do đó để có một anten phù hợp, độ dài của anten phải bằng ¼ bước sóng hay: m f c l 06.1 10.7,70.4 10.3 44 6 8 ==== λ Để có thể sử dụng một anten ngắn hơn, trong đề tài sử dụng anten 0.2 m, cần phải phối hợp anten này với một cuộn cảm có độ tự cảm : [...]... Hướng phát triển của đề tài a Về khả năng ứng dụng: Đề tài truyền dữ liệu không dây là tiền đề cho các ứng dụng sâu hơn như : truyền dữ liệu báo động cháy nổ, truyền thông tin nhiệt độ từ xa, điều khiển thiết bò từ xa, âm thanh kỹ thuật số… b Về đặc tính kỹ thuật: truyền dữ liệu với kỹ thuật điều chế ASK tuy dễ thực hiện, song tính ổn đònh không cao do nhiễu ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ tín hiệu... Hình 1.3.1 Sơ đồ mạch khối điều khiển -Nguyên tắc hoạt động: Dữ liệu từ mạch thu RF được đưa vào chân RxD của vi điều khiển, vi điều khiển thu nhận dữ liệu này và hiển thò trên 8 led đơn b Module thu RF: SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 13 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng - Sơ đồ khối: Khuếch đại cộng hưởng Khôi phục dạng sóng data out Khuếch đại đệm -Thiết kế khối khuếch đại cộng... cao tần, mặc dù những tài liệu về những lónh vực này rất hiếm Mặc dầu rất cố gắng tham khảo các tài liệu, các mạch mẫu trên mạng internet, song do thời gian thực hiện đề tài không nhiều cộng với những kinh nghiệm về các mạch cao tần còn thiếu nên đề tài vẫn chưa đạt mục đích đã đề ra, mạch chạy còn thiếu ổn đònh Điều chế ASK vẫn còn nhiều hạn chế trong truyền thông không dây, nhất là về vấn đề nhiễu... 2200p R1 510 DIODE Trên sơ đồ mạch, tần sau của khối STS là một mạch tách sóng (Detector) chỉ dùng tụ và trở C8 thực hiện nạp xả để tách hình bao của sóng để thực hiện giải điều AM Tụ C1 lọc thành phần DC Tần sau nữa là mạch khuếch đại ứng dụng đặc tính tuyến tính của họ IC số CMOS CD4069 và thực hiện khôi phục dạng sóng dữ liệu SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 17 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD:... I.3.1.2 Thiết kế phần mềm a Lưu đồ chương trình chính Begin Các Led đơn tắt Tích cực các SW Có nhấn phím truyền S Đ Nhận kết quả từ P2 Xuất trên các led đơn Truyền qua TxD End SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 11 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng b Lưu đồ chương trình phát dữ liệu qua TxD: Begin TI = 0 SBUF = data TI = 1 S Đ TI = 0 End SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 12 - Đồ án môn... TI = 0 End SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 12 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng I.3.2 Thiết kế và thi công mạch thu I.3.2.1 Thiết kế và tính toán a Module vi điều khiển và hiển thò dữ liệu: -Sơ đồ mạch: VCC D9 19 20 17 18 led1 15 16 led2 13 14 led3 11 12 led4 9 10 led5 7 8 led6 5 6 led7 3 4 led8 1 2 U1 RN1 LN10204 led1 led2 led3 led4 led5 led6 led7 led8 330 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14... dụng, làm nâng cao độ tin cậy của hệ thống SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 20 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng TÀI LIỆU THAM KHẢO 1 Kỹ thuật điện tử – Lưu Phi Yến – NXB khoa học và kỹ thuật 2 Họ vi điều khiển 8051 – Tống Văn On - NXB Lao động xã hội 3 RF design guide – Peter Vizmuller 4 High Frequency Techniques – Josep F White SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 21 - Đồ án môn học kỹ... động, như transistor, FET, hoạt động ở chế ∞ khi t ∞ Nhưng trong thực tế, khi điện áp v(t) độ đặc biệt, trong hàm (1), điện áp v(t) tăng đến một mức nào đó gọi là mức ghim (threshold), transistor sẽ không hoạt động ở chế độ SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 15 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng điện dẫn âm nữa, do đó, điện áp v(t) sẽ được ghim ở vò trí đó hoặc tắt dần Giá trò điện... Cb D1 C2 R1 Nguyên tắc hoạt động của mạch như sau: điện trở Rb1,Rb2 tạo điện áp phân cực cho transistor hoạt động, Diode D1 ổn đònh điểm làm việc cho mạch khuếch đại Khi có một tín hiệu cao tần tần số bằng tần số cộng hưởng LC, điện áp cộng hưởng trên cực C của transistor lên cao, sẽ hồi tiếp về cực E thông qua tụ C1 Thành phần điện áp âm của tín hiệu hồi về sẽ phân cực thuận cho mối nối BE của transistor... mạch STS Nguồn dòng I có giá trò i (t ) = A sin(ωt ) với ω= 1 LC , G1,G2 là các điện dẫn của điện trở Trong đó G2 < 0 Khi ở thời điểm t = 0 − , K hở mạch, khung cộng hưởng LC ở tần số góc ω có tổng trở bằng 0 nên : V = i (t ) = V0sin( ωt ) G1 Ở thời điểm t > 0, khoá K đóng, điện dẫn G1 // G2 tạo thành một điện dẫn tổng –g < 0 p dụng đònh luật Kierchoff 1: i g + ic + i L = i (t ) ⇒C 1 dV − gV + ∫ Vdt . Truyền dữ liệu không dây là một mảng lớn trong điện tử thông tin, dữ liệu được truyền đi có thể là tương tự cũng có thể là số. Trong truyền dữ liệu không dây, hiệu quả nhất vẫn là truyền bằng. sẵn, số bit dữ liệu truyền đi thấp, không phù hợp với nhu cầu truyền dữ liệu hàng loạt và liên tục. Giải quyết vấn đề này, em tận dụng khả năng của vi điều khiển về truyền nhận dữ liệu nối tiếp. thời cũng thiết lập dữ liệu truyền đi. Dữ liệu này sẽ được hiển thò lại trên 8 led đơn bằng phần mềm. Vi điều khiển chờ phím "bat dau truyen" được nhấn sẽ truyền dữ liệu nối tiếp qua