Truyền dữ liệu không dây

Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng Phần I NỘI DUNG SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng I.1 Mục tiêu Truyền liệu không dây mảng lớn điện tử thông tin, liệu truyền tương tự số Trong truyền liệu không dây, hiệu truyền sóng điện từ hay sóng Radio, ưu điểm truyền khoảng cách xa, đa hướng, tần số hoạt động cao Hiện nay, truyền liệu số ứng dụng rộng rãi, lónh vực điều khiển, thông tin số Nhiều vi mạch hỗ trợ xử lý tín hiệu không dây sử dụng PT2248, PT2249, PT9148, PT9149, HT12D… Vấn đề đặt vi mạch truyền liệu dành cho mục đích riêng điều khiển thiết bị, thông tin truyền mã hoá sẵn, số bit liệu truyền thấp, không phù hợp với nhu cầu truyền liệu hàng loạt liên tục Giải vấn đề này, em tận dụng khả vi điều khiển truyền nhận liệu nối tiếp nhờ vào UART chíp Vi điều khiển có khả thực truyền thông đa xử lý thích hợp cho việc truyền liệu hệ thống mạng không dây gồm nhiều xử lý tớ Đề tài xây dựng hệ thống đơn giản gồm board phát liệu board thu liệu Dữ liệu bên phát thiết lập công tắt đơn mã hoá vi điều khiển Một module phát nối vào vi điều khiển thực điều chế ASK phát liệu tới bên thu Bên thu thu nhận tín hiệu RF mạch thu siêu tái sinh, liệu thu vi điều khiển mã hoá hiển thị liệu led đơn SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng I.2 Sơ đồ khối hệ thống Các công tắc chuyển mạch Vi điều khiển AT89S52 Module mã hóa tín hiệu phát RF Hình 1.2.1 Sơ đồ khối bên phát Module thu RF Vi điều khiển AT89S52 Các led đơn hiển thị Hình 1.2.2 Sơ đồ khối bên thu SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng I.3 Thiết kế thi công I.3.1 Thiết kế thi công mạch phát I.3.1.1 Thiết kế tính toán a Module vi điều khiển công tắc thiết lập liệu: -Sơ đồ mạch: VCC VCC R2 4.7k D9 R1 330 Start 20 17 18 led1 15 16 led2 13 14 led3 11 12 led4 10 led5 led6 led7 led8 19 U1 RN1 led1 led2 led3 led4 led5 led6 led7 led8 16 15 14 13 12 11 10 39 38 37 36 35 34 33 32 Start LN10204 bat dau truyen MOSI MISO SCK R3 330 Y1 19 18 VCC VCC C2 33p ISP Programming MOSI MISO SCK RST SW3 330 C3 33p 31 40 VCC P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P1.0/T2 P1.1/T2EX P1.2 P1.3 P1.4/SS P1.5/MOSI P1.6/MISO P1.7/SCK XTAL1 XTAL2 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD PSEN ALE/PROG EA/VPP RST 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 P2.0 P2.1 P2.2 P2.3 P2.4 P2.5 P2.6 P2.7 SW DIP-8 29 30 Serial data out VCC AT89S52 C1 10uF Reset RST R7 4.7K Hình 1.3.1 Sơ đồ mạch điện khối vi điều khiển - Nguyên tắc hoạt động: sơ đồ mạch hình 1.3.1, SW độc lập kết nối với P2 vi điều khiển, để thiết lập giá trị P2, đồng thời thiết lập liệu truyền Dữ liệu hiển thị lại led đơn phần mềm Vi điều khiển chờ phím "bat dau truyen" nhấn truyền liệu nối tiếp qua chân TxD đến mạch phát RF SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng b Module phát RF -Sơ đồ khối: Điều chế Tín hiệu số x(t) Khuếch đại phối hợp trở kháng Daộng fo - Thiết kế khối dao động: mạch phát tín hiệu RF, tần số sóng mang tạo khối tạo dao động, tần số sóng mang truyền liệu thường lớn hàng chục đến hàng trăm MHz, hệ thống chuyên nghiệp mạng Wireless, thông tin vệ tinh, tần số tới hàng GHz Trong phạm vi đề tài, thuộc phạm vi điều khiển nghiệp dư nên tần số sóng phát phải nằm dải tần điều khiển nghiệp dư để tránh gặp nhiễu tần số chuyên nghiệp Theo đó, tần số thường nằm khoảng 70 – 80Mhz Với tần số này, thạch anh tạo dao động đắt tiền, dùng thạch anh giá trị nhỏ thực nhân tần, phương pháp 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 mạch dao động ba điểm điện dung Colpitts Sơ đồ mạch bên VCC C Rb L Cb1 Q1 C1906 Cb2 C1 Re C2 SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng Hình 1.3.2 Sơ đồ mạch dao động Colpitts - Tính tần số sóng mang thiết lập điều kiện dao động: Sơ đồ hình 1.3.2 chế độ AC: C1 E C2 C I1 hib C L B Trong Cb1, Cb2 có giá trị lớn, với tín hiệu AC tần số cao, coi nối tắt Đặt : Z1 = ZC1 nt ( ZC2 // hib) Z2 = ZC // ZL C1 Do đó: ⎞ ⎛ ⎟ ⎜ hib sC ⎟ ⎜ Z1 = + = ⎟ sC ⎜ ⎟ ⎜ hib + sC ⎠ ⎝ Z2 = sC sL + sC sL = shib(C1 + C ) + sC1 + s hibC1C sL + s LC (1) (2) Điện áp ra: Vo = h fb ie ( Z // Z ) = h fb ie Z1 Z Z1 + Z Điện áp vào: SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát Vi = GVHD: Trần Văn Dũng hib ie Vậy hệ số khuếch đại áp là: Av = Vo Vi h fb = hib × Z1Z Z1 + Z (3) Xét trình hồi tiếp từ cực C cực E qua tuï C1: β= Ve = Vc h ib // sC Z1 hib (1 + shib C )Z1 = (4) Từ (3) (4) suy ra: = Av β h fb hib × Z1 Z hib × = Z + Z (1 + shib C )Z1 h fb × Z2 × Z + Z + shib C Từ (1) (2), khai triển biểu thức ta được: Av β = sL 1 + s LC × shib(C1 + C ) + 1 + shib C sL + + s LC sC1 + s hibC1C = h fb × h fb × s LC1 + s LC [shib (C1 + C ) + 1] + s LC1 (1 + shib C ) ( ) (5) Xét thành phần tín hiệu sin, đó, s = jω , thay vào biểu thức (5) ta được: = Av β = h fb × h fb × − ω LC1 (1 − ω LC )[ jωhib (C1 + C ) + 1] − ω LC1 (1 + jωhib C2 ) − ω LC1 − ω LC − ω LC1 − jωhib (1 − ω LC )(C1 + C ) + ω LC1C SVTH: Hoaøng Phước Tuyên [ ] Trang - - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng Để mạch dao động, phải thoả điều kiện biên độ pha Nghóa là: ⎧ Av β ≥ ⎨ ⎩ Arg ( Av β ) = Từ hệ phương trình này, để Arg( Av β ) = (1 − ω ) LC (C1 + C ) + ω LC1C = ⇒ ω = ω0 = ⇒ f0 = ω0 2π = 0, điều kiện cần đủ là: (6) ⎛ CC L⎜⎜ C + C1 + C ⎝ ⎞ ⎟⎟ ⎠ ⎛ CC 2π L⎜⎜ C + C1 + C ⎝ ⎞ ⎟⎟ ⎠ : Đây tần số dao động riêng mạch dao động Để Av β ≥ , kết hợp với (6) ta được: h fb × ω LC1 ≥1 − ω LC − ω LC1 ⇔ h fb × C1 + C ≥1 C1 Do h fb = vaø C1 + C >1 C1 ∀C1 ,C nên điều kiện biên độ thoả mãn -Thiết kế lựa chọn linh kiện: Trong đề tài, C = 47pF, C1 = 22pF, C3 = 33pF, cuộn cảm n = vòng dây Phi 0.3mm, quấn loiõ không khí bán kính r = 5mm( = 0.197 inches, daøi l = 5mm(=0.197inches) Độ tự cảm L cuộn dây là: SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát L= n2r 9r + 10l = GVHD: Trần Văn Dũng 0.084 μH Khi tần số dao động mạch dao động là: f0 = ⎛ CC 2π L⎜⎜ C + C1 + C ⎝ ⎞ ⎟⎟ ⎠ ≈ 70.7 Mhz - Điều chế ASK (Amplitude - Shift - Keying) : Điều chế ASK dạng điều chế AM, tín hiệu tin tức tín hiệu số Trong điều chế ASK có loại điều chế BASK (binary Amplitude Shift Keying) gọi điều chế OOK (On/Off Keying), MASK (MaryAmplitde Shift Keying) Trong điều chế BASK, với tín hiệu vào số m(t), tần số sóng mang Vc = Asin (ω t ), tín hiệu sau điều chế : s(t) = m(t)Asin (ω c t ) với m(t) nhận giá trị Giản đồ sóng sau: SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng 1.3.3 Điều chế BASK Từ phương thức điều chế BASK, cho thấy việc truyền liệu theo chuẩn việc cho phép không cho phép mạch dao động hoạt động Cụ thể: bit liệu qui định dao động hoạt động, bit không cho phép Để giải vấn đề này, transistor công suất âm tần sử dụng cho vệc đóng ngắt mạch dao động Sơ đồ mạch biểu diễn hình 1.3.4 VCC R2 10k L2 R1 10k C1 103 C3 47p Q1 C1906 C2 103 C6 103 C4 10p L1 C7 60p C8 L3 47p Q4 2N1070 R3 2.2k C5 30p VCC R6 4.7k Q3 C828 Data in Hình 1.3.5 Sơ đồ module phát RF Tần khuếch đại phía sau tần khuếch đại công suất cao tần mắc theo kiểu E chung, hoạt động chế độ AB Tần số sóng mang 70.7 MHz để có anten phù hợp, độ dài anten phải ¼ bước sóng hay: λ c 3.10 l= = = = 1.06m 4 f 4.70,7.10 Để sử dụng anten ngắn hơn, đề tài sử dụng anten 0.2 m, cần phải phối hợp anten với cuộn cảm có độ tự cảm : SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 10 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phaùt L= 350 l 2πf tan(360 ) GVHD: Trần Văn Dũng ≈ 2.6μH λ I.3.1.2 Thiết kế phần mềm a Lưu đồ chương trình Begin Các Led đơn tắt Tích cực SW Có nhấn phím truyền S Đ Nhận kết từ P2 Xuất 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 liệu qua TxD: Begin TI = SBUF = data TI = S Ñ TI = End SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 12 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng I.3.2 Thiết kế thi công mạch thu I.3.2.1 Thiết kế tính toán a Module vi điều khiển hiển thị liệu: -Sơ đồ mạch: VCC D9 19 20 17 18 led1 15 16 led2 13 14 led3 11 12 led4 10 led5 led6 led7 led8 U1 RN1 LN10204 led1 led2 led3 led4 led5 led6 led7 led8 330 16 15 14 13 12 11 10 MOSI MISO SCK R3 330 39 38 37 36 35 34 33 32 Y1 19 18 VCC VCC C2 33p ISP Programming MOSI MISO SCK RST C3 33p 31 40 VCC P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7 P2.0/A8 P2.1/A9 P2.2/A10 P2.3/A11 P2.4/A12 P2.5/A13 P2.6/A14 P2.7/A15 P1.0/T2 P1.1/T2EX P1.2 P1.3 P1.4/SS P1.5/MOSI P1.6/MISO P1.7/SCK P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/WR P3.7/RD XTAL1 XTAL2 PSEN ALE/PROG 21 22 23 24 25 26 27 28 10 11 12 13 14 15 16 17 Serial data in 29 30 EA/VPP RST VCC AT89S52 C1 10uF Reset RST R7 4.7K Hình 1.3.1 Sơ đồ mạch khối điều khiển -Nguyên tắc hoạt động: Dữ liệu từ mạch thu RF đưa vào chân RxD vi điều khiển, vi điều khiển thu nhận liệu hiển thị 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 hưởng: khối khuếch đại cộng hưởng có nhiều cách khác dùng nhiều tần khuếch đại cộng hưởng nối với nhau, dùng vi mạch chuyên dụng khuếch đại cao tần…Một cách đơn giản nhất, tốn dùng mạch thu siêu tái sinh (super-regenerative-receiver), mạch thu dùng transistor công suất cao tần -Cơ sở mạch thu siêu tái sinh: Mạch thu siêu tái sinh (STS) hoạt động dựa nguyên lý cộng hưởng khung cộng hưởng LC Xét mạch hình vẽ: K G2 G1 C L V I Hình 1.3.2 Mạch mạch STS Nguồn dòng I có giá trị i (t ) = A sin(ωt ) với ω= LC , G1,G2 điện dẫn điện trở Trong G2 < Khi thời điểm t = − , K hở mạch, khung cộng hưởng LC tần số góc ω có tổng trở nên : V = i (t ) = V0sin( ωt ) G1 Ở thời điểm t > 0, khoá K đóng, điện dẫn G1 // G2 tạo thành điện dẫn tổng –g < p dụng định luật Kierchoff 1: i g + ic + i L = i (t ) ⇒C dV − gV + ∫ Vdt = i (t ) dt L SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 14 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng Nghiệm phương trình vi phân là: V (t ) = V0 k exp( Với ω = gt ) sin(ω t ) (1) 2C ⎛ g ⎞ +⎜ ⎟ LC ⎝ 2C ⎠ g ) = const 2C Đây hàm mũ tăng theo thời gian, dạng hàm hình vẽ: k = exp( Điện dẫn âm tạo linh kiện chủ động, transistor, FET, hoạt động chế độ đặc biệt, hàm (1), điện áp v(t) Ỉ ∞ t Ỉ ∞ Nhưng thực tế, điện áp v(t) tăng đến mức gọi mức ghim (threshold), transistor không hoạt động chế độ SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 15 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng điện dẫn âm nữa, đó, điện áp v(t) ghim vị trí tắt dần Giá trị điện áp giá trị cố định phụ thuộc đặc tính mạch điện Khi khoá K đóng ngắt nhiều lần, tạo điện áp có dạng xung, độ rộng xung phụ thuộc vào biên độ tín hiệu I(t) Vậy nói, phương pháp phương pháp lấy mẫu tín hiệu vào Biên độ tín hiệu vào biến đổi thành độ rộng xung Tần số lấy mẫu tần số lần đóng ngắt khoá K Điều kiện lấy mẫu tín hiệu tuân theo định lý Nyquist hay Xenon Gọi tần số đóng ngắt khoá K f s , tần số tín hiệu tin tức f , đó, theo định lý Nyquist: f s > f max Đối với mạch siêu tái sinh, tần số lấy mẫu gọi tần số dập tắt (Quenching rate) Trong thực tế, việc dập tắt dao động thực mạch, mà đó, dập tắt tự động có tín hiệu vào, gọi tượng tự dập tắt(self Quenching) Một sơ đồ nguyên lý mạch STS ứng dụng tự dập tắt hình vẽ: VCC Rb1 C Q1 C1906 C1 Rb2 Cb D1 C2 R1 Nguyên tắc hoạt động mạch sau: điện trở Rb1,Rb2 tạo điện áp phân cực cho transistor hoạt động, Diode D1 ổn định điểm làm việc cho mạch khuếch đại Khi có tín hiệu cao tần tần số tần số cộng hưởng LC, điện áp cộng hưởng cực C transistor lên cao, hồi tiếp cực E thông qua tụ C1 Thành phần điện áp âm tín hiệu hồi phân cực thuận cho mối nối BE transistor qua tụ Cb, tụ có giá trị lớn với tần số cao nên xem ngắn mạch xuống mass Vì vậy, cực E, xem tồn thành phần điện SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 16 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng áp dương tần số cao Thành phần này, bị suy hao cuộn chặn L2 có giá trị lớn, hình thành nên điện áp trung bình có giá trị lớn 0, nạp cho tụ C2 Thành phần điện áp âm hồi từ cực C transistor khuếch đại, làm cho điện áp cực C tăng theo hàm mũ Điện áp tăng tụ C2 nạp đến mức DC làm cho thiên áp BE < 0.7V, làm transistor ngắt Ỵ dao động bị dập tắt Sau đó, tụ C2 xả điện qua điện trở R1, transistor hoạt động khuếch đại trở lại, thế, dao động khuếch đại dập tắt Vậy tần số dập tắc phụ thuộc vào hai linh kiện R1 C2 Sơ đồ mạch mạch thu hình veõ: C9 VCC 100p R7 R6 R2 4.7k 1M R5 C1 10k 1uF 1 C8 680p C3 47P 2M U3A CD4069UB U3B Data out CD4069UB C6 39p R3 47k Q1 C1906 C4 4p R4 7.5k C7 2200p D1 C5 2200p R1 510 DIODE Trên sơ đồ mạch, tần sau khối STS mạch tách sóng (Detector) dùng tụ trở C8 thực nạp xả để tách hình bao sóng để thực giải điều AM Tụ C1 lọc thành phần DC Tần sau mạch khuếch đại ứng dụng đặc tính tuyến tính họ IC số CMOS CD4069 thực khôi phục dạng sóng liệu SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 17 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng I.3.2.2 Thiết kế phần mềm: Lưu đồ chương trình chính: Begin Các led đơn tắt TH1 = -26 (1200 bauds) Bộ định thời hoạt động chế độ RI = S RI = Ñ RI = Data = SBUF P2 = Data End SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 18 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng Phần II KẾT LUẬN SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 19 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng II.1 Kết luận Qua thời gian thực đồ án, em tiếp thu nhiều kinh nghiệm qúi báu kỹ thuật cao tần, tài liệu lónh vực Mặc dầu cố gắng tham khảo tài liệu, mạch mẫu mạng internet, song thời gian thực đề tài không nhiều cộng với kinh nghiệm mạch cao tần thiếu nên đề tài chưa đạt mục đích đề ra, mạch chạy thiếu ổn định Điều chế ASK nhiều hạn chế truyền thông không dây, vấn đề nhiễu II.2 Hướng phát triển đề tài a Về khả ứng dụng: Đề tài truyền liệu không dây tiền đề cho ứng dụng sâu : truyền liệu báo động cháy nổ, truyền thông tin nhiệt độ từ xa, điều khiển thiết bị từ xa, âm kỹ thuật số… b Về đặc tính kỹ thuật: truyền liệu với kỹ thuật điều chế ASK dễ thực hiện, song tính ổn định không cao nhiễu ảnh hưởng trực tiếp đến biên độ tín hiệu Có nhiều giải pháp thay cho kiểu điều chế này.Phổ biến kỹ thuật điều chế FSK, PSK, MSK, GMSK…Đây phương pháp điều chế phổ biến thông tin di động đại Những phương pháp tích hợp hoá nhờ vi mạch chuyên dụng, làm nâng cao độ tin cậy hệ thống SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 20 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng TÀI LIỆU THAM KHẢO Kỹ thuật điện tử – Lưu Phi Yến – NXB khoa học kỹ thuật Họ vi điều khiển 8051 – Tống Văn On - NXB Lao động xã hội RF design guide – Peter Vizmuller High Frequency Techniques – Josep F White SVTH: Hoàng Phước Tuyên Trang - 21 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng PHỤ LỤC Mã nguồn vi điều khiển mạch phát: #include unsigned char dulieu; sbit truyen = P1^0; void main (void) { TMOD = 0x20; TH1 = -26; PCON = 0x00; TR1 = 1; TI = 0; while(1) { while(!truyen) { dulieu = P2; P0 = dulieu; SBUF = dulieu; while (!TI) {} TI = 0; } P0 = 0xff; } } Mã nguồn vi điều khiển mạch thu: #include unsigned char dulieu; void main (void) { SVTH: Hoaøng Phước Tuyên Trang - 22 - Đồ án môn học kỹ thuật thu phát GVHD: Trần Văn Dũng TMOD = 0x20; TH1 = -26; PCON = 0x00; TR1= 1; RI = 0; while(1) { while(!RI) { RI = 0; dulieu = SBUF; P0 = dulieu; } } SVTH: Hoàng Phước Tuyeân Trang - 23 - ... Văn Dũng I.1 Mục tiêu Truyền liệu không dây mảng lớn điện tử thông tin, liệu truyền tương tự số Trong truyền liệu không dây, hiệu truyền sóng điện từ hay sóng Radio, ưu điểm truyền khoảng cách xa,... nhiều hạn chế truyền thông không dây, vấn đề nhiễu II.2 Hướng phát triển đề tài a Về khả ứng dụng: Đề tài truyền liệu không dây tiền đề cho ứng dụng sâu : truyền liệu báo động cháy nổ, truyền thông... có khả thực truyền thông đa xử lý thích hợp cho việc truyền liệu hệ thống mạng không dây gồm nhiều xử lý tớ Đề tài xây dựng hệ thống đơn giản gồm board phát liệu board thu liệu Dữ liệu bên phát