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电路图天天读(20):个人局域网电路设计图集锦

作者:时间:2017-10-31来源:网络

  TOP1 DSP与模块接口通信电路

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/369594.htm

  技术作为一种低成本、、近距离的无线通信技术,正广泛应用于固定与移动设备通信环境中的个人网络,数据速率可高达1Mb/s;它采用跳频/时分复用技术,能进行点对点和点对多点的通信。ADSP-BF533是ADI公司Blackfin系列的高速数字信号处理器芯片,基于DSP的无线传输系统设计,利用DSP简单算法实现对复杂信号的处理,大大提高了系统的数据处理能力;同时信号传输用无线代替有线电缆,解决了电缆传输存在的弊端,拓宽了系统在较为恶劣的环境或特殊场所的应用。

  电路原理:串行通信接口通常采用三线制接法,即地、接收数据(RXD)和发送数据(TXD)。DSP与蓝牙模块使用UART口进行通信时,蓝牙模块作为一个DCE,异步串口通信参数可以通过设置ADSP-BF533的内部寄存器来改变,如串口通信速率、有无奇偶校验、停止位等。由于ADSP-BF533具备异步串行通信端口,而且其工作电压为 3.3V和1.3V,蓝牙模块工作电压为3.3V,因此,当DSP使用异步串口与蓝牙芯片通信时,两者之间可直接连接,无需电平转换。

  

  使ADSP-BF533的TX引脚接蓝牙模块的RXD,RX引脚接蓝牙模块的TXD。此外,考虑到系统的通信波特率比较高,数据流量比较大,为了保证传输数据的稳定可靠性,系统设计时采用了硬件流控制方式。意即使蓝牙模块的RTS引脚与BF533的I/O端口相连,系统发送数据时首先判断BF533的I /O端口状态,从而监视RTS是否“忙”。当接收端数据缓冲区满,接收端将RTS置为高电平,通知发送端“忙”,请求暂停发送数据,发送端检测到RTS “忙”则立即暂停发送;相反,当发送端检测RTS空闲,表明接收端数据缓冲区不满,发送端继续发送数据。

  电路原理:DSP与蓝牙模块使用USB接口方式进行通信时,要通过USB口转换电路,然后再与蓝牙模块的 USB双向端口D+和D-相连;当采用蓝牙模块USB口低速连接方式,速率也可达到1.5Mb/s。 DSP模块USB口转换电路采用FTDI公司推出的USB芯片FT245BL。该芯片内部固化了实现USB通讯协议的固件程序,对外向用户提供了相应设备的驱动程序,在与蓝牙模块ROK101 007的USB接口设计中,只需进行必要的硬件设计和简单的软件编程就可以实现,这样就大大降低了开发难度,缩短了开发周期。蓝牙模块与实现USB接口通信相关的引脚主要是D+(B1)和D-(B2),在上节中已有所描述BF533通过USB芯片FT245BL实现与蓝牙模块的USB接口通信,其详细的电路设计如图4所示:

  

  由图4可见,FT245BL的8位数据线D7~D0通过终端匹配电阻连接在DSP的低8位数据总线上;RXF用于判断接收FIFO是否有数据,设计时 RXF引脚接DSP的PF3引脚,只要数据大于或等于1个,RXF就为低,通知DSP可以读取数据;TXE用于判断发送FIFO是否满,0为不满,1为满,当TXE为0时,外部DSP向发送FIFO缓冲区写数据,直到发送数据全部写入;读RD、写WR、发送使能TXE信号原本也可以直接与BF533的读、写线直接对连,但由于FT245BL芯片没有片选线,所以RD、WR以及TXE都是经过CPLD内部的USB逻辑电路处理后才连接的。与UART口进行通信相比,DSP与蓝牙模块采用USB口通信具有数据传输速率高、串口通信软件编程简单等优点。不过DSP与蓝牙模块USB接口驱动程序的开发比较困难,另外针对不同的DSP和蓝牙模块都需要开发相应的高层驱动程序,工作量很大,通用性也比较差,除特殊需要外,一般不采用这种方式进行数据传输。

  TOP2 蓝牙无线门铃发射电路

  调制级电路主要主要由32.768KHz晶振完成,本电路通过晶振的自激振荡,产生出一个振荡信号,信号频率由晶振固有频率决定。自激振荡特点就是不需要外加任何输入信号就能根据要求而输出特定频率的信号。从图中可以看,接通电源的瞬间,会友通电瞬间的电冲击、电干扰、晶体管的热噪声等,尽管这些噪声很微弱,也不是单一频率的波长,但却是由许多不同频率的正弦波叠加组合而成。在不断放大-反馈-选频-放大-反馈-选频的过程中,振荡就可以自行建立起来。Q3三极管为正反馈,起放大作用,由晶振使电路产生自激,从而产生持续的振荡,把直流电变为交流电,从而发射出一个振荡频率。7并联在直流电两端,起滤波作用,主要是减少电路电压的波动性保护电器的作用,当电池电压下降,电容放电;电池电压上升,电容充电。

  高频振荡级是由Q1、C1、C2、T1以及L1、R2、R5组成。T1是一个可调线圈,和C2并联,作无功补偿作用,规格有一定要求,否则接收的频率和发射的相差太大不能够正常的接收信号。一般做成矩形或者圆形,不能用漆包线,影响信号的选取发射。C2并联在线圈两端,因为线圈是感性负载,在通电或断电的一瞬间产生很高的电动势,并联电容可以减少这种感应电动势对线圈或其他控制元件的影响。

  

  电路原理:按下SW开关,电源、LED1和电阻R1构成一个回路,LED1灯亮,说明电路正常接通。L1与C3组成LC振荡电路,起谐振选频作用。LC谐振回路是高频电路中最常用的无源网络,利用LC谐振回路的幅频特性和相频特性,不仅可以选频,即从输入信号中选择出有用的频率分量而抑制掉无用的频率分量或噪声,而且还可以进行信号的频幅转换和频相转换。若要把电路中的频率通过天线发射出去,必须具备两个条件:

  1、振荡的频率必须足够高。频率越高,电场和磁场变化越快,产生的场越强,辐射出去的能量也越多。这样方能有效地把能量发射出去。

  2、电路必须开放。可使LC振荡电路电容极板面积越来越小,极板间隔越来越大,再使电感线圈匝数越来越少,最后使电路演化为一根直导线,这样的电路叫做振荡偶极振子,也就是我们俗称的天线。这种由振荡回路演变的天线,本身就是一个振荡器,但又与普通的LC振荡回路有区别。有了天线,电磁场才能够发射到空间去。实际上无线起了“能量转换”的作用。我们用馈线送入天线的并不是无线电波,而是高频振荡电流。在天线上由变化的电场在它周围产生变化的磁场,这个变化的磁场又在自己周围产生变化的电场,新产生的变化的电场再在自己周围产生变化的磁场,这样变化的电场和变化的磁场相互激发,形成闭合的电力线和磁力线。而C2、T1作为选频电路,通过调节T1,选择一定的频率,进而从天线发射出去。 图中的Q1起开关作用,相当于一个由基极电流所控制的无触点开关,随电流变化,三极管工作状态由截止到饱和相当于开关的闭合,截止时相当于开关断开。这可以控制发射板是否能够发射出信号。

  TOP3 基于蓝牙无线发射接收电路

  电路原理:使用LC振荡器,频率漂移较为严重。声表器件的出现解决了这一问题,其频率稳定性与晶振大体相同,而其基频可达几百兆甚至上千兆赫兹。无需倍频,与晶振相比电路极其简单。以下电路为常见的发射机电路,由于使用了声表器件,电路工作非常稳定,即使手抓天线、声表或电路其他部位,发射频率均不会漂移。可达200米以上,同时接收机可使用超再生电路或超外差电路,超再生电路成本低,功耗小可达100uA 左右,调整良好的超再生电路灵敏度和一级高放、一级振荡、一级混频以及两级中放的超外差接收机差不多。然而,超再生电路的工作稳定性比较差,选择性差,从而降低了抗干扰能力。

  

  TOP4 ZigBee串口数据转换电路

  电路原理:CC2430的外围元件数目很少。它使用一个非平衡天线,连接非平衡变压器使天线性能更好。电路中的非平衡变压器由电容C341和电感L341、L321、L331以及一个PCB微波传输线组成,整个结构满足RF输入/输出匹配电阻(50Ω)的要求。内部T/R交换电路完成LNA和PA之间的交换。R221和R261为偏置电阻。其中R221主要用于为32 MHz的晶体振荡器提供合适的工作电流。用一个32 MHz石英谐振器(XTAL1)和两个电容(C191、C211)构成一个32 MHz晶振电路。用1个32.768kHz的石英谐振器(XTAL2)和2个电容(C441和C431)构成一个32.768kHz晶振电路。电压稳压器为所有1.8 V电压的引脚和内部电源供电.C241和C421是去耦电容。用来电源滤波,以提高芯片工作的稳定性。串口连接采用RS-232与上位机相连,如果需要与计算机进行串口数据传输,则需用MAX232将TTL电平转换为RS232电平,再通过RS-232向上位机输入数据。

  

  TOP5 无线路由器电路

  现在zigbee技术多应用在传感和控制方面,一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站,在整个网络范围内,它们之间可以进行通信;每个网络节点间的距离可以从标准的75米,扩展后的几百米或更远,整个ZigBee网络还可以与现有的的各种网络连接。简单的来说,一般zigbee 是用于自组网,自动控制。而 wifi应用于人为控制的无线接入网。 在智能家居中,这个模块在开源基础上完成了协调器和终端节点软件相关应用的设计,组建智能家居内部无线网络。 家庭网关是由家居内部无线网络ZigBee协调和嵌入式Web服务器两个部分组成,前者主要用于家庭内部无线网络,后者与外部网络通信。

  1 电源电路与上电复位电路

  

  此电路可以由仿真器供电,或者外接两节干电池供电,芯片工作电压为2到3.6V,额定为3.3V,上电复位电路由一个电容,按键和上拉电阻组成。

  2 串口电路

  

  PC通过串口像板子发送控制信息,板子向PC通过串口反馈自己的状态。使用单片机的串口UART模块能过非程序的调试带来方便,在单片机运行的时候可以向PC提供各种数据信息。同时,可利用PC串口向单片机发送各种数据,这就开通了一个通信渠道。

  3 按键电路

  

  板子上设置了上下左右,确认与取消键,同时四个方向键采用ADC输入,由P0.6口读入,功能键直接读取端口电平P0.5和P0.1。AD8544为4路运放芯片,使用其中两个,用于信号的放大。

  TOP6 基于MSP43O和的无线抄表终端电路

  电路原理:核心处理器采用TI公司的MSP430F149单片机。为实现的要求,电路中采用高速和低速两个晶振,由高速晶振产生频率较高的MCL-K,以满足 CPU高速数据运算的要求,在不需要CPU工作时关闭高速晶振,由低速晶振产生频率较低的ACLK,运行实时时钟。日历时钟芯片采用PHILIPS公司的 PCF8563。此芯片支持IIC总线接口,采用CMOS技术,具有较宽的工作电压范围1.0V~5.5V,在3.0V供电条件下,工作电流和休眠电流的典型值都为0.25μA,能记录世纪、年、月、日、周、时、分、秒,具有定时、报警和频率输出功能。存储器采用复旦微电子的FM24C04。此芯片是两线制串行EEPROM,兼容IIC总线接口,采用低功耗CMOS技术,具有较宽的工作电压范围2.2V~5.SV,在3.0V供电条件下,额定电流为 1mA,休眠电流典型值为5 μA,在掉电情况下,存储器中的数据能保存100年。

  

  MSP430F149在硬件上具有2路TTL电平的串行接口,一路经SP3485芯片转换成RS485串行接口后与连接在其底层的数字电能表通信,另一路直接与CC2430进行通信。RS485总线被目前的绝大多数数字电能表所支持,其采用平衡发送和差分接收方式实现通信,具有极强的抗共模干扰能力,信号可传输上千米,并且支持多点数据通信。而符合协议的CC2430芯片支持TTL电平的串行接口,所以无须进行接口转换,就可以与核心处理器进行通信。

  TOP7 基于ZigBee技术的无线数传电路

  无线数传模块的硬件设计:无线数传模块的硬件设计主要分为CPU部分、射频部分和接插件三个部分。图3所示是CPU部分的主要电路,它由CC2430及其辅助电路组成;射频部分主要由功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)组成;作为通用产品,接插件的选择也至关重要,为了方便模块的替换,本文选择可插拔、间距为1.27 mm的插针作为接插件。

  

  该接插件使得模块也可以像其他芯片一样直接焊接在目标PCB上,同时,也可以上自动贴片机。 图4所示是系统中的射频部分电路原理图。为了使传输距离更远,就必须加大发射功率和提高接受灵敏度,所以,在射频部分,本文的设计又增加了PA、LNA以及一些信号开关和开关控制信号的产生电路。LNA的增益可达13 dB左右,因而大大提高了传输距离和可靠性。

  

  图5所示是系统射频功放电路图,其中PA的发射功率可达20 dBm,故可大大提高传输距离。

  

  数传模块的具体指标:根据数传模块的灵敏度、噪声系数、选择性、传输延时、安全等级等各项性能要求,ZigBee模块的各项技术指标如下:射频频率:2.4GHz;通道数:具有 16个射频通道2.405~2.485;通讯视距:可靠传输距离在100米以上; 发射功率:低功耗型为-25~0 dbm;可调远距离型为18.5~26 dbm可调;接收灵敏度:低功耗型为-90 dbm;远距离型为-99 dbm;网络拓扑:星状、树状、网状;每跳延时:不大于15 ms; 数据安全:采用128-Bit AES加密算法。

  TOP8 基于ZigBee温室环境监测系统电路

  电路原理:温室环境监测系统是通过硬件和软件的结合实现了对温度、湿度和光照强度的实时监测。无线传感网络主要包括协调器节点和传感器采集节点这两类硬件平台,协调器节点由无线节点模块和智能主板模块组成,传感器采集节点由传感器模块和智能主板模块组成。传感器节点是通过ZigBee无线传感网络和协调器节点之间进行通信的,协调器节点是连接传感器节点和计算机的桥梁,负责组网和集中监测终端发来的数据并通过串口RS232上传至上位机。无线节点模块主要由射频单片机构成,MCU是TI的CC2530芯片,用的是2.4G载频,棒状天线。传感器模块有两个传感器,分别是温湿度传感器SHT10和光电传感器 BPW34S。智能主板模块由电源转换电路、运放电路、串口电路、复位电路和可程序控制LED显示电路这几个部分组成。软件设计包括节点控制程序和上位机监测界面程序两个方面,节点控制程序是在IAREmbeddedWorkbench开发环境下用C语言实现的,包括传感器节点控制程序和协调器节点控制程序,上位机监测界面是在VisualStudio2005的开发环境下用VC++实现的。最后通过实验验证了该设计的可行性,基本达到了要求。

  

  TOP9 局域网中红外遥控发射与接收电路

  红外发射电路模块:单片机发出的信号如何被红外发射管识别,发射管能否正常发射红外信号是发射电路要解决的关键问题。要发射红外信号,必须要有红外发射器件。红外发光二极管是一种能产生红外光的发光二极管,目前大量使用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm 左右,外形与普通发光二极管相同,只是颜色不同。常见的红外发射二极管有黑色,透明色,它与普通发光二极管的最大区别在于所发出的光为不可见光,而普通发光二极管发出的是各种颜色的可见光,通常,红外发光二极管分为两种结构形式:一种是遥控发射型红外发光二极管(即最常用的手持遥控器所用的红外发射二极管);一种是近距离发射型红外发光二极管,这种二极管把红外光的发射与接收共集为一体。由于本设计实现的是家居遥控,因此采用第一种即可。

  

  如图所示为系统遥控发射原理图,P1.0 口为按键输入口;P2.0 口为红外发射端口,用于输出38kHz 载波编码,脉冲经9013(NPN)放大然后由红外发射管输出;第9 脚为单片机的复位脚,采用RC 手动复位电路;18、19 脚接晶振。

  红外接收电路模块:接收电路和调光电路的实现均是通过继电器实现的,给每一个继电器串联一个电阻,构成一个回路,本电路将四个继电器回路并联,连接在P0 口上,当四个继电器均闭合时,灯最亮,当三个继电器工作时,灯较亮,当两个继电器工作时灯次亮,当一个继电器工作时,灯最暗,当四个继电器都不工作时,灯泡处于关闭状态。接收电路图如图6所示:

  

  TOP10 CMOS低中频蓝牙射频收发器电路

  CMOS射频收发器原理:传统的射频收发电路普遍采用超外差结构,这种成熟的体系结构需要采用二级混频和片外声表面滤波器,成本高。正在研发的CMOS低中频或直接转换体系结构只需要采用一级混频,同时能节省片外声表面滤波器。但是直接转换的体系结构需要克服直流失调等问题。采用CMOS射频收发电路的最大优点是可以和基带处理器(数字电路)及A/D、D/A转换器(混合信号电路)集成于一个芯片。单片集成的含射频、基带及模数、数模转换电路使电路可靠性好,功耗低和成本低。单片集成CMOS无线通信电路是目前研究热点,正走上商业化。

  CMOS射频IC电路:采用直接转换的CMOS射频IC主要有低噪声放大器、混频电路、功率驱动电路和频率综合电路等射频单元组成。在射频领域,我们更多注意的是功率传输和放大,其中低噪声放大器的电路图如图所示。

  

  它的核心技术是输入阻抗匹配和输出负载的设计,片上电感作为负载可以获得较高的增益和频率特性,为了抑制共模电平,差分结构的低噪声放大器也经常采用。国内已有CMOS混频器报导采用吉尔布特乘法单元的混频电路如图3所示,混频器的性能主要是线性度,在提高线性度方面,目前有人采用电感负载和共源极电流耦合输入。功率驱动电路一般会采用二级功率放大的电路,为了满足不同射频系统的需要和保证输出功率,功率驱动电路需要考虑增益控制电路和封装、连线及引脚的分布参数。为了得到低噪声时钟和低相位噪声的正交信号,采用片上电感和变容二极管的LC信频压控器及二分频正交信号产生器是一种好的选择。

  

  采用倍频VCO可以减少射频信号对VCO的牵引和VCO对信号的泄漏。Sigma-Delta分数分频能够进一步降低VCO的相位噪声。低中频(2MHz中心频率)体系结构和直接转换的蓝牙、无线局域网和WCDMA射频电路。图6是单片集成的CMOS射频收发电路芯片照片,芯片左上角是正交时钟产生电路,右下角是功率放大电路,右上角是复数滤波器。在深亚微米CMOS工艺线流片后,对各功能块进行测试,电路达到了设计的要求,能够满足蓝牙接收芯片必须的功耗和性能。

  TOP11 蓝牙无线局域网收发芯片RF2968接口电路

  接口电路原理:RF2968 发射机输出在内部匹配到50Ω,需要1个AC耦合电容。接收机的低噪声放大器输入在内部匹配50Ω阻抗到前端滤波器。接收机和发射机在TXOUT和 RXIN间连接1个耦合电容,共用1个前端滤波器。此外,发射通道可以通过外部的放大器放大到+20dBm,接通RF2968的发射增益控制和接收信号强度指示,可使蓝牙工作在功率等级一。RSSI数据经串联端口输入,超过-20~80dBm的功率范围时提供1dB的分辨率。发射增益控制在 4dB步阶内调制,可经串联端口设置。基带数据经BDATA1脚送到发射机。BDATA1脚是双向传输引脚,在发射模式作为输入端,接收模式作为输出端。 RF2968实现基带数据的高斯滤波、FSK调制中频电流控制的晶体振荡器(ICO)和中频IF上变频到RF信道频率。片内压控振荡器(VCO)产生的频率为本振(LO)频率的一半,再通过倍频到精确的本振频率。在RESNTR+和RESNTR-间的2个外部回路电感设置VCO的调节范围,电压从片内调节器输给VCO,调节器通过1个滤波网络连接在2个回路电感的中间。由于蓝牙快速跳频的需要,环路滤波器(连接到 DO和RSHUNT)特别重要,它们决定VCO的跳变和设置时间。所以,极力推荐使用电路图中提供的元件值。RF2968可以使用10MHz、 11MHz、12MHz、13MHz或20MHz的基准时钟频率,并能支持这些频率的2倍基准时钟。时钟可由外部基准时钟通过隔直电容直接送到OSC1 脚。如果没有外部基准时钟,可以用晶振和2个电容组成基准振荡电路。无论是外部或内部产生的基准频率,使用1个连接在OSC1和OSC2之间的电阻来提供合适的偏置。基准频率的频率公差须为20&TImes;10-6或更好,以保证最大允许的系统频率偏差保持在RF2968的解调带宽之内。LPO脚用3.2kHz或 32kHz的低功率方式时钟给休眠模式下的基带设备提供低频时钟。考虑到最小的休眠模式功率消耗,并灵活选择基准时钟频率,可选用12MHz的基准时钟。

  

  接收机用低中频结构,使得外部元件最少。RF信号向下变频到1MHz,使中频滤波器可以植入到芯片中。解调数据在BDATA1脚输出,进一步的数据处理用基带PLL数据和时钟恢复电容完成。D1是基带PLL环路滤波器的连接脚。同步数据和时钟在REDATA和RECCLK脚输出。如果基带设备用 RF2968做时钟恢复,D1环路滤波器可以略去不用。

  TOP12 基于单片机实现短距离无线通信电路

  单片机的时钟电路和复位电路:单片机时钟电路设计中,选择晶振频率11.059 2 MHz,约定PC机和单片机的通信速率为9 600 b/s,并选择相应电容与单片机的时钟引脚相连构成时钟回路。在复位电路设计中,采用复位引脚和相应的电容、电阻构成复位电路。单片机与PTR2000接口原理电路如图所示。

  

  单片机与PTR2000接口电路:AT89C52 单片机主要完成数据的采集和处理,向PTR2000模块发送数据,并接收由PC机通过PTR2000传送的数据。和单片机相连的PTR2000模块主要将单片机的待传数据调制成射频信号,再发送到PC机端的PTR2000模块,同时接收PC机端的PTR2000模块传送的射频信号,并调制成单片机可识别的 TTL信号送至单片机。单片机的RXD和TXD引脚分别和PTR2000的DO和DI引脚连接,实现串行数据传输;决定PTR2000模块工作模式的 TXEN、CS、PWR 3个引脚分别和单片机I/O控制口的P2.0~P2.2相连,PTR2000工作时,由单片机中的运行控制程序实时控制其工作模式。

  

  该接口电路设计首先需进行电平转换。PC机的串口支持RS-232标准,而PTR2000模块支持TTL电平,选择MAX232器件进行两者间的电平转换,接口电路如图3所示。PTR2000模块进行串行输入、输出,引脚DI、DO通过电平转换器件和PC机串口相连;PTR2000的低功耗控制引脚。 PWR接高电平VCC,即PTR2000固定工作在正常工作状态;频道选择引脚CS接GND低电平,即采用固定通信频道1,固定工作在433.92 MHz;PC机串口的RTS信号控制TXEN引脚,以决定PTR2000模块何时为接收和发射状态。PC机和串口的传输速率设定为9 600 b/s,和单片机保持一致。



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