煤矿井下环境测试系统研究 （数据采集、发射部分）.doc

1、第 1 页 共 44 页煤矿井下环境测试系统研究（数据采集、发射部分）摘要：本文主要介绍了煤矿井下环境测试系统（数据采集、发射部分）的整体设计及组成。本设计的目的是实现煤矿井下无线射频通信。本设计使用 ADuC812，他是 AD 公司研制的真正意义上完整的数据采集系统芯片和射频收发芯片 nRF905实现煤矿井下环境测试系统（数据采集、发射部分）的研究，完成了软、硬件的设计关键词：数据采集，数据发射，ADUC812，nRF905第 2 页 共 44 页Research of Instrumentation of Mine Environmental （Part of Data Acquisiti

2、on、Emission）Abstract: In this paper, the holistic design of Instrumentation of Mine Environmental （Part of Data Acquisition、Emission ）and the constitution were introduced. The arm of this design was using wireless RF communications in coal mine. This design use ADuC 812which is made by AD company an

3、d RF transceiver chip nRF905 in order to complete the design of Instrumentation of Mine Environmental（Part of Data Acquisition、Emission），and I have completed the design of software and hardware.Keywords: Data Acquisition, ADuC812, RF Transceiver, nRF9051 引 言1.1 本设计的研究背景及现状在我国各行业中，每年制订生产计划的同时还会下达“死亡指

4、标”的，恐怕唯有煤炭业了。近年来，煤炭业已成为牵动全民神经的热门话题，最密集时几乎每隔几天就有一条全国性的煤矿新闻爆出。联合国开发计划署驻华代表处能源与环境处项目经理马琪 15 日表示，中国煤矿安全状况总体稳定，趋于好转，不过形势依然严峻。 马琪在 15 日召开的 2007 中国国际矿业大会矿山安全论坛上说，2006 年中国共发生煤矿事故 2945 起，死亡 4746 人，百万吨死亡率为 2.041，是新中国成立以来最低的。 她认为，“ 十五” 期间中国煤矿安全的特点是：事故总量逐年下降，特大事故趋于下降，百万吨死亡率大幅度下降。 第 3 页 共 44 页马琪说，“2006 2010 联合国发

5、展援助框架” 确认帮助中国政府规范自然资源的管理，确保环境可持续性发展。相关项目如，提高煤矿管理水平，尤其是小型煤矿的管理；增强国家和地方煤矿的教育培训、安全意识；寻找解决煤矿瓦斯爆炸等突出问题的方法。目前，在中国政府及联合国开发计划署的努力下，这些项目已取得产出，中国煤矿工人及其家属是首要受益者。 马琪表示，中国煤矿产量占全球的三分之一，事故死亡人数占近，煤矿安全形势依然严峻。今后，将继续加强中国煤矿安全保障能力的建设项目。 联合国开发计划署是联合国在全球从事发展的机构，在个国家开展发展援助，通过与这些国家的合作，帮助各国应对全球和各国国内的发展挑战 1。1.2 本设计的研究意义我作为一个山

6、西人，在这片土地上生活了 24 年头，感受最大的就是山西的矿难了，因为，除了矿难山西省能上中央电视台新闻的还真是不多。我想通过这个课题对煤矿井下，温度、湿度、压力、风速的测试和监控来大家对矿下环境有个系统的分析，尽量减小矿井下事故的发生。长期以来，煤矿在人们的心目中是技术水平不高、要求比较低的劳动密集型产业，因而长期以来，技术投入不足、装备水平差、产业技术人才匮乏、劳动效率低。把“千军万马“的队伍放在高度危险的作业环境中劳动，一旦出现瓦斯（煤尘）爆炸、矿井火灾等事故时，容易导致惨重损失，甚至全矿毁灭的现象。在目前的能源供应条件下，对高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井，不可能采取停产关闭的措施。为此，只能

7、是自主开发与之相应的安全技术，以确保高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井的安全生产 2 。利用远程监控系统，地面监控人员可以直接对井下情况进行实时监控，不仅能直观地监视和记录井下工作现场的安全生产情况，而且能及时发现事故，防患于未然。也能为事故后分析事故原因提供有关的第一手数据资料。1.3 本设计要解决的问题为煤矿安全生产，合理调度指挥，改变这种落后局面，最有效的办法之一就是采用微机监控系统。随着微机的出现和广泛应用，提出了将微机技术用于环境监测的要求。这样不仅能显著降低单位产量的能耗，而且能使产品实现高质量、高产量和高效益的目标，同时，监控系统还能帮助有关人员对煤矿井下参数进行第 4 页 共 44 页实

8、时监控，有效的预防突发性事故的发生，因而监控系统在安全生产中具有不可忽视的重要地位。本设计主要对煤矿井下的温度、湿度、压力、气体浓度等环境参数进行监测，将检测到的数据发射到井下分站。1.4 本文的主要内容及章节安排本论文主要介绍了煤矿井下环境测试系统（数据采集、发射部分）研究时采用的芯片以及该系统的设计方案，给出了系统的软件和硬件设计。其主要内容有以下几个章节：第一章主要介绍了本设计的研究背景及现状分析、本设计的意义和要解决的问题。第二章主要介绍了该系统的组成模块以及对各模块所涉及到的基本概念进行介绍。第三章主要介绍该系统所采用的主要芯片及其基本性能参数、芯片结构、管脚功能等。第四章主要介绍了

9、该系统的总体硬件设计思想及各硬件模块的设计。第五章是结论。2 系统简介2.1 系统综述该系统主要由以下两个模块组成：数据采集模块、无线射频通信模块。下面是基本框图：第 5 页 共 44 页数据采集模块无线射频通信模块天线图 2.1 系统原理框图2.2 数据采集与处理简介数据采集，又称数据获取，是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口。数据采集技术广泛引用在各个领域。比如摄像头，麦克风，都是数据采集工具。 被采集数据是已被转换为电讯号的各种物理量，如温度、水位、风速、压力等，可以是模拟量，也可以是数字量。采集一般是采样方式，即隔一定时间（称采样周期）对同一点数据重复采集。采集

10、的数据大多是瞬时值，也可是某段时间内的一个特征值。准确的数据量测是数据采集的基础。数据量测方法有接触式和非接触式，检测元件多种多样。不论哪种方法和元件，均以不影响被测对象状态和测量环境为前提，以保证数据的正确性。数据采集含义很广，包抱对面状连续物理量的采集。在计算机辅助制图、测图、设计中，对图形或图像数字化过程也可称为数据采集，此时被采集的是几何量（或包括物理量，如灰度）数据。数据采集与处理是计算机应用的一个重要分支，主要研究信息数据的采集、存贮、处理及控制等内容。70 年代以来，由于微机技术的快速发展及其在军、民用工程领域的广泛应用，尤其是适于通用微机（如 IBM PC 系列）使用的板卡级数

11、据采集产品的大量出现，以微机为核心的可编程数据采集与处理技术得到迅速发展。现在的微机，只需在其扩展槽内插上一块数据采集板，并辅以应用软件，即可组成一套微机数据采集与处理系统，实现信息处理和实时控制功能。第 6 页 共 44 页数据采集与处理技术主要研究模数、数模转换（A/D、D/A）、数据处理等问题，需要计算机硬件电路和软件编程知识 3。数据采集：为对温度、压力、流量、速度、位移、振动、噪声等物理量进行测控，首先通过传感器把上述物理量转换成模拟电信号，而后由 A/DD/A 板将模拟电信号转换成时间、数值上量化且离散的数字量输入计算机系统。数据采集的核心是 A/D 转换。数据处理（data pr

12、ocessing）是对数据的采集、存储、检索、加工、变换和传输。数据是对事实、概念或指令的一种表达形式，可由人工或自动化装置进行处理。数据的形式可以是数字、文字、图形或声音等。数据经过解释并赋予一定的意义之后，便成为信息。数据处理的基本目的是从大量的、可能是杂乱无章的、难以理解的数据中抽取并推导出对于某些特定的人们来说是有价值、有意义的数据。数据处理是系统工程和自动控制的基本环节。数据处理贯穿于社会生产和社会生活的各个领域。数据处理技术的发展及其应用的广度和深度，极大地影响着人类社会发展的进程。数据处理离不开软件的支持，数据处理软件包括：用以书写处理程序的各种程序设计语言及其编译程序，管理数据

13、的文件系统和数据库系统，以及各种数据处理方法的应用软件包。为了保证数据安全可靠，还有一整套数据安全保密的技术。根据处理设备的结构方式、工作方式，以及数据的时间空间分布方式的不同，数据处理有不同的方式。不同的处理方式要求不同的硬件和软件支持。每种处理方式都有自己的特点，应当根据应用问题的实际环境选择合适的处理方式。数据处理主要有四种分类方式根据处理设备的结构方式区分，有联机处理方式和脱机处理方式。根据数据处理时间的分配方式区分，有批处理方式、分时处理方式和实时处理方式。根据数据处理空间的分布方式区分，有集中式处理方式和分布处理方式。根据计算机中央处理器的工作方式区分，有单道作业处理方式、多道作业

14、处理方式和交互式处理方式 4。2.3 射频通信2.3.1 射频通信技术射频（Radio Frequency） ，简称 RF。射频就是射频电流，它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于 1000 次的交流电称为低频电流，大于 10000 次第 7 页 共 44 页的称为高频电流，而射频就是这样一种高频电流。众所周知,矿山由劳动密集向技术密集转化,将从根本上改变矿井的面貌。无疑,这有赖于用现代先进技术去装备和改造冶金工业。然而对于大多数矿山,这将是一个循序渐进的过程,很难一蹴而就。实际上,由于射频技术的引入,给矿山自动化和半自动化提供了可能,而利用射频技术实现井下的工业遥控,便是投入少、风险

15、低、见效快的一个重要方面。利用射频数据传送技术实现井下工业遥控对于矿山生产带来的安全性的提高是显而易见的。然而容易忽视的还有它常常带来的明显的生产效率的提高。射频工业遥控技术的基本核心在于高可靠性。随着射频数据传输技术、微处理机技术以及各种编解码、检错纠错技术的不断成熟,高可靠性的问题已经不难解决。诚然,各种工业遥控技术对于未来的矿山全自动化尚有不短的距离。然而,由于这一技术的实施成本低,不要求对已有生产工艺过程作重大改变,投资风险小,且见效迅速,因而对我国矿山现阶段走向信息化、自动化的进程,将具有很大的现实意义 4。2.3.2 无线射频通信在煤矿井下环境测试系统中的应用由于矿山的井巷往往错综

16、复杂,加之粉尘、积水等等因素使其环境与地面相比显得十分恶劣。同时,在我国矿山通常自动化程度不高的情况下,井下往往有大量流动作业人员。因此,无论从便于生产管理、提高生产效率的角度,还是从安全生产,保障矿工人身安全的角度,都要求井下人员之间,或是井下人员与地面人员之间, 能够随时建立及时、迅速的通信联络。而这一点,仅靠目前一般矿井传统的有线通信能力是远远不能适应的。无线通信综合成本低，只需一次性投资，无须挖沟埋管，特别适合距离较远的场合；在许多情况下，用户往往受到地理环境和工作内容的限制，例如山地、港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布线工程带来极大的不便，采用有线的施工周期长，甚至

17、根本无法实现。这时，采用无线通信可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力强、迅速收回成本的优点。当今社会正处于信息时代,冶金工业在充分利用计算机及通信等现代信息技术,加速实现冶金工业的信息化,自动化,提高管理水平,提高生产效率,特别是在利用高科技保障人员安全方面正面临巨大的挑战。在现代高科技的领域内,射频通信技术第 8 页 共 44 页向冶金工业的迈步,已无可替代地实现了矿山井下的无线通信。随着射频通信由模拟通信向数字通信的发展,随着射频传感、射频识别等技术向矿山领域的渗透,射频通信技术必将对冶金工业的信息化和自动化产生日益重要的影响。3 器件简介煤矿井下环境测试系统（数据采集、发

18、射）中用到的主要芯片有数据采集模块 ADUC812，无线传输模块 nRF905。第 9 页 共 44 页3.1 ADUC812ADuC812是一个完全集成的12位数据采集系统，在一个芯片内结合了高性能的自校准多通道12 位ADC，双12 位DAC 和可编程8 位微控制器( 与8051 兼容的指令集)。片内的8 K 字节闪速/ 电擦除存储器、640 字节片内闪速/ 电擦除数据存储器和256 字节的片内数据静态存储器，均由可编程8051 兼容内核控制。另外微控制器具有包括看门狗定时器、电源监视器和ADC DMA 功能，为多处理器接口和I/O 扩展提供了32 条可编程的I/O 线、I 2C兼容的SP

19、I 和标准UART 串行口I/O 等。微控制器内核和模拟转换器二者均有正常、空闲和掉点三种工作模式，有适于低功率应用的灵活电源管理方案。在工业温度范围内，有3V 和5V 两种规格电压工作器件可供选择。它有52 引脚方形扁平塑料封装及56 引脚芯片级封装两种型号 5。3.1.1 ADUC812的性能参数主要功能模拟I/O8 通道，高速12 位ADC片内100 ppm/C 的电压参考源速度高达200 kSPSADC 至RAM 高速捕获型DMA 控制器2 个12 位( 单调的) 电压输出DAC拥有片内温度传感器存储器8 K 字节片内闪速/ 电擦除程序存储器640 字节片内闪速/ 电擦除数据存储器25

20、6 字节的片内数据RAM16 M 字节的外部数据地址空间64 K 字节的外部程序地址空间基于8051 的内核第 10 页 共 44 页标称的12 MHZ 工作频率( 最大16 MHz)3 个16 位定时器/ 计数器高电流驱动能力端口端口39 个中断源， 2 个优先级电源运行于指定的3V 和5V 电压下正常模式，空闲模式和掉电模式片内外围设备UART 和SPI 串行I/O双线(400 KHz I2C 兼容) 串行I/O看门狗定时器(WDT)3.1.2 ADUC812的内部方框图3.1.3 ADUC812的引脚功能描述本节列出了 ADUC812 的引脚功能与说明，如表 3.1 所示表 3.1 AD

21、UC812 的引脚功能符号 类型 功能DVDD P 数字正电源，额定为 3V 或 5VAVDD P 模拟正电源，额定为 3V 或 5V第 11 页 共 44 页CREF I/O 片内基准的去耦引脚，在此引脚与 AGED 之间并接 0.47uF 电容AGND G 模拟地，模拟电路的地参考点P1.0P1.7 I 不像其他端口，P1 是一个 8 位仅能做输入的端口。P1 的默认状态是模拟量输入模式。这些端口配置为数字输入，可向对应的端口写入 0。ADC0ADC7 I 模拟量输入，8 个单端模拟量输入。通过 ADCCON2 SFR 选择通道。T2 I 定时器 2 输入，输入至定时/计数器 2。当被激活

22、时，T2 输入发生由 1 至 0 的负跳变定时，计数器 2 加 1。T2EX I 数字输入。计算器 2 捕获/重载出发并用做定时器 2UP/DOWN的控制输入。SS I/O SPI 接口的从属选择输入SDATA I/O 用户可选，I 2C 兼容，或 SPI 数据输入/输出引脚SCLOCK I/O I2C 兼容的串行时钟引脚，或 SPI 串行接口哦时钟MOSI I/O 用于 SPI 接口的主输出/从输入的数字 I/O 引脚DAC0 O DAC0 的电压输出，对于 ADUC812 这个引脚不连接。DAC1 O DAC1 的电压输出，对于 ADUC812 这个引脚不连接RESET I 数字输入，当振

23、荡器运行时，再此引脚维持 24 个主时钟周期的高电平将使器件复位。P3.0P3.7 I/O P3 是内部具有上拉电阻的双向端口。向 P3 口写入“1S”时该端口被内部上拉电阻拉为高电平，在此状态下该端口可被用作输入。当作为输入时，由于内部具有上拉电阻，P3口可向外部拉至低电平的电路提供电流。RXD I/O 接收数据输入（异步） ，或串行（UART）接口的数据输入/输出（同步）TXD O 发送数据输出（异步） ，或串行（UART）接口的时钟输出（同步）INT0 I 外部中断 0，中断输入可由程序设置为边沿或电平触发，也能够有程序设置为高优先级或低优先级，这个引脚还能作为 T0 的门控输入INT1

24、 I 外部中断 0，中断输入可由程序设置为边沿或电平触发，也能够有程序设置为高优先级或低优先级，这个引脚还能作为 T0 的门控输入T0 I 定时/计数器 0 输入T1 I 定时/计数器 1 输入CONVST I 当外部启动转换功能激活时，低有效逻辑电平输入 ADC 块，当这个信号有低向高跳变，当使输入的跟踪保持电路进入保持模式并启动 ADC 转换WR O 写控制信号，逻辑输出。将口 P0 的数据锁存到外部数据存储器RD O 读控制信号，逻辑输出，允许外部数据存储器的数据送至P0 口第 12 页 共 44 页XTAL2 O 倒像振荡放大器输入XTAL1 I 输入至倒像放大器DGND G 数字地，

25、数字电路地的参考点P2.0P2.7(A8A15)(A16A23)I/O P2 是具有内部上拉电阻的双向端口。向 P2 口写入“1s”被内部上拉电阻拉为高电平，在此状态下 P2 口可被用于输入，当作为输入时，由于内部具有上拉电阻，P2 口可向外部拉至低电平的电路提供电流，在访问外部 24 位数据存储器时，P2 口将送出地址的中间字节和高端字节。PSEN O 程序存贮激活，逻辑输出。在这个引脚保持低电平时，执行内部程序。在上电或复位时，PESN 被一个电阻下拉为低，将激活串行下拉模式。在复位的瞬间 PSEN 便被输入采样状态。如果该引脚没有下拉电阻 PSEN 将瞬间变为高，然后执行用户程序。如果在

26、 PSEN 引脚处有一个下拉电阻，Kernel的串行下载/调试将被执行3.1.4内部模块介绍1、ADC 电路ADC812 内部的 ADC 转换块包含一个 5s 转换时间、8 通道、12 位、单电源的 A/D 转换器。A/D 转换器由电容式 DAC 的常规逐次转换器组成。ADC 具有单独的模拟电源和参考电压，可最大限度地减少数字电路的干扰。转换器接受的模拟电压输入范围为 0VREF；片内提供高精度、低漂移并经厂家校准的 2.5 V 基准电压。ADC812 内集成的 ADC 转换模块有其特殊性，如果应用不当，轻则影响ADC 的性能，重则电路完全不能工作，甚至烧毁器件。下面对基准电压和模拟输入电压作

27、详细的介绍。（1） 基准电压 ADC812 内 A/D 转换器的 2.5 V 基准电压既可由片内提供，也可由外部基准经 VREF 引脚提供。在使用内部基准时，则在 VREF 和 CREF 引脚与 AGND 之间都连接 0.1F 电容实现去耦。这些去耦电容放在紧靠 VREF 和 CREF 引脚处。为了达到规定的性能，在使用外部基准时，该基准在 2.3 V 和模拟电源 AVDD 之间。图 3.1所示使用外部基准电源时的应用电路。第 13 页 共 44 页图 3.1 使用外部基准电源时的应用电路由于片内基准高精度、低漂移且经工厂校准，并且当 ADC 使能时，在 VREF引脚会出现此基准电压。因此，在

28、进行系统扩展时，可将片内基准作为一个 2.5 V 的参考电源来使用。若要把片内基准用到微转换器之外，则应在 VREF 引脚上加以缓冲并应在此引脚与 AGND 之间连接 0.1 F 电容。如图 3. 2 所示把片内基准用到微转换器之外时的应用电路。图 3.2 片内基准电源用到微转换器之外时的应用电路在应用中应当注意，内部 VREF 将保持掉电直到 ADC 外围设备模块之一被它们各自的使能位上电为止 6。第 14 页 共 44 页（2） 模拟输入与其它 ADC 芯片相比，ADC812 的 ADC 模块有一个缺点，就是 ADC 正常工作的模拟输入范围为 0+2.5 V，而允许输入的电压范围只能为正电

29、压 0+5V。经实验证明，若输入的模拟电压超过 +2.5 V（最大值为+5 V） ，ADC 的采样结果为最大值（0FFFH） ，虽然结果不对，但并没有影响 ADC812 正常工作；但是，一旦输入负的模拟电压，则会影响 ADC812 正常工作，表现为 ADC 的基准电压（VREF = +2.5 V）消失和采样结果不正确，且若长时间输入负电压，将有可能损坏芯片14。 因此，在实际应用中，若发现启动 ADC 之后 VREF 端无电压，则应立即将芯片复位，并检查模拟输入信号的采集放大部分。在确保进入 ADC812 的模拟信号在 0+2.5 V 范围内之后，才能再次启动 ADC。实际应用时，应保证输入的

30、模拟电压为正电平。 一般情况下，ADC 的输入缓冲放大器采用 05 V 的电源工作，这样，可以保证 ADC 的输入在 ADC812 的 A/D 转换器的安全输入范围内，如图所示。在实际情况不许可时，ADC 的输入缓冲放大器的电源超出 05 V，则应采用图所示钳位电路，可保证 ADC 的输入在 ADC812 的 A/D 转换器的安全输入范围内。注意，ADC 的输入端有一个 0.01F 的电容，这个电容是为了保证 ADC 的转换精度。图 3.3ADC 输入缓冲放大器电源第 15 页 共 44 页图.3.4ADC 的输入钳位电路2 控制 ADC 工作的特殊功能寄存器ADC 的工作由三个特殊功能寄存器

31、控制，即 ADCCON1、ADCCON2 和 ADCCON3。 ADCCON1 寄存器控制转换与采集时间、硬件转换模式以及掉电模式。寄存器地址：FFH；寄存器缺省值：20H；位可寻址： 否。 ADCCON2 寄存器控制 ADC 通道选择和转换模式。寄存器地址：D8H；寄存器上电缺省值： 00H；位可寻址：是。 ADCCON3 寄存器对用户软件给出 ADC 忙标志指示。寄存器地址：F5H；寄存器上电缺省值： 00H；位可寻址：否。3 ADC 的工作模式（1）典型运用第 16 页 共 44 页当特殊功能寄存器 ADCCON13 完成设置后，ADC 将转换模拟输入并在特殊功能寄存器 ADCDATAH

32、/L 中提供 ADC12 位结果字。用通道选择位写寄存器 ADCDATAH的高 4 位以识别通道 7。（2）ADC 的 DMA 模式ADC812 片内 ADC 设计成 5s 完成一次采样，在中断驱动子程序中要求在5s 时间内完成中断服务、读 ADC 转换结果并为进一步的后续处理存储作准备等全部工作。如果没有完成，则下一次的 ADC 采样可能丢失。因此，在 ADC812 不能支持中断速率的应用中，可采用 ADC DMA 模式。通过 DMA 使能位（ADCCON2.6），使能 ADC DMA 模式，它允许 ADC 在每次设置寄存器 ADCCON 后连续采样。每次采样结果被写入外部静态 RAM，无需

33、 ADC812内核的任何干预。这种方式确保 ADC 处于全速更新速率时，ADC812 能捕获连续的采样流。3.2 nRF905nRF905 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.93.6V，32 引脚 QFN 封装(55mm)，工作于 433/868/915MHz 三个 ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于 650us。nRF905 由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调节器组成。ShockBurst 工作模式的特点是自动产生前导码和 CRC，可以很容易通过SPI 接口进行编程配置。此外，其功

34、耗非常低，以-10dBm 的输出功率发射时电流只有 11mA，工作于接收模式时的电流为 12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905 适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域 8。3.2.1 芯片结构nRF905 片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。nRF905 的详细结构如图 3.3 所示。第 17 页 共 44 页图 3.5 nRF905 的芯片结构3.2.2 引脚介绍表 3.2 nRF905 引脚介绍

35、管脚 名称 管脚功能 说明1 TRXCE 数字输入 使能芯片发射或接收2 PWRUP 数字输入 芯片上电3 uPCLK 时钟输出 由晶体振荡器分频的输出时钟4 VDD 电源 电源（+3V DC）5 VSS 电源 地（0V）6 CD 数字输出 载波检测7 AM 数字输出 地址匹配第 18 页 共 44 页8 DR 数字输出 接收或发射数据完成9 VSS 电源 地（0V）10 MISO SPI 接口 SPI 输出11 MISI SPI 接口 SPI 输入12 SCK SPI 时钟 SPI 时钟13 CSN SPI 使能 SPI 使能14 XC1 模拟输入 晶体振荡器 1 脚/外部时钟输入脚15 X

36、C2 模拟输出 晶体振荡器 2 脚16 VSS 电源 地（0V）17 VDD 电源 电源（+3V DC）18 VSS 电源 地（0V）19 VDDPA 电源输出 给 nRF 905 功率放大器提供的+1.8V 电源20 ANT1 射频输出 天线接口 121 ANT2 射频输出 天线接口 222 VSS 电源 地（0V）23 IREF 模拟输入 参考电流24 VSS 电源 地（0V）25 VDD 电源 电源（+3V DC）26 VSS 电源 地（0V）续表 3.2 nRF905 引脚介绍27 VSS 电源 地（0V）28 VSS 电源 地（0V）29 VSS 电源 地（0V）30 VSS 电源

37、地（0V）31 DVDD1V2 电源 耦合的低压正数字电源输出32 TXEN 数字输入 TXEN=“1”TX 模式；TXEN=“0”RX模式3.2.3内部模块介绍1 曼彻斯特编码 第 19 页 共 44 页曼彻斯特编码（Manchester Encoding） ，也叫做相位编码(PE)，是一个同步时钟编码技术，被物理层使用来编码一个同步位流的时钟和数据。曼彻斯特编码被用在以太网媒介系统中。曼彻斯特编码提供一个简单的方式给编码简单的二进制序列而没有长的周期没有转换级别，因而防止时钟同步的丢失，或来自低频率位移在贫乏补偿的模拟链接位错误。在这个技术下，实际上的二进制数据被传输通过这个电缆，不是作为

38、一个序列的逻辑 1 或 0 来发送的（技术上叫做反向不归零制(NRZ)） 。相反地，这些位被转换为一个稍微不同的格式，它通过使用直接的二进制编码有很多的优点。曼彻斯特编码，常用于局域网传输。在曼彻斯特编码中，每一位的中间有一跳变，位中间的跳变既作时钟信号，又作数据信号；从高到低跳变表示“1“，从低到高跳变表示“0“。还有一种是差分曼彻斯特编码，每位中间的跳变仅提供时钟定时，而用每位开始时有无跳变表示“0“或“1“，有跳变为“0“，无跳变为“1“ 9。2 低噪声放大器低噪声放大器（low noise amplifier）噪声系数很低的放大器。一般用作各类无线电接收机的高频或中频前置放大器，以及高

39、灵敏度电子探测设备的放大电路。在放大微弱信号的场合，放大器自身的噪声对信号的干扰可能很严重，因此希望减小这种噪声，以提高输出的信噪比。由放大器所引起的信噪比恶化程度通常用噪声系数 F 来表示。理想放大器的噪声系数 F1（0 分贝） ，其物理意义是输出信噪比等于输入信噪比。现代的低噪声放大器大多采用晶体管、场效应晶体管；微波低噪声放大器则采用变容二极管参量放大器 ，常温 参放的 噪声 温度 Te 可低于几十度(绝对温度)，致冷参量放大器可达 20K 以下，砷化镓场效应晶体管低噪声微波放大器的应用已日益广泛，其噪声系数可低于 2 分贝。放大器的噪声系数还与晶体管的工作状态以及信源内阻有关。在工作频

40、率和信源内阻均给定的情况下，噪声系数也和晶体管直流工作点有关。为了兼顾低噪声和高增益的要求，常采用共发射极一共基极级联的低噪声放大电路。3 功率放大器利用三极管的电流控制作用或场效应管的电压控制作用将电源的功率转换为按照输入信号变化的电流。因为声音是不同振幅和不同频率的波，即交流信号电流，三极管的集电极电流永远是基极电流的 倍， 是三极管的交流放大倍数，第 20 页 共 44 页应用这一点，若将小信号注入基极，则集电极流过的电流会等于基极电流的 倍，然后将这个信号用隔直电容隔离出来，就得到了电流(或电压)是原先的 倍的大信号，这现象成为三极管的放大作用。经过不断的电流及电压放大，就完成了功率放

41、大。功率放大器，简称“功放” 。很多情况下主机的额定输出功率不能胜任带动整个音响系统的任务，这时就要在主机和播放设备之间加装功率放大器来补充所需的功率缺口，而功率放大器在整个音响系统中起到了“组织、协调”的枢纽作用，在某种程度上主宰着整个系统能否提供良好的音质输出。（1）工作原理：高频功率放大器用于发射机的末级，作用是将高频已调波信号进行功率放大，以满足发送功率的要求，然后经过天线将其辐射到空间，保证在一定区域内的接收机可以接收到满意的信号电平，并且不干扰相邻信道的通信。高频功率放大器是通信系统中发送装置的重要组件。按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功

42、率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。在 “低频电子线路”课程中已知，放大器可以按照电流导通角的不同，将其分为甲、乙、丙三类工作状态。甲类放大器电流的流通角为 360o，适用于小信号低功率放大。乙类放大器电流的流通角约等于 180o；丙类放大器电流的流通角则小于 180o。乙类和丙类都适用于大功率工作。丙类工作状态的输出功率和效率是三种工作状态中最高者。高频功率放大器大多

43、工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而不能用于低频功率放大，只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。除了以上几种按电流流通角来分类的工作状态外，又有使电子器件工作于开关状态的丁类放大和戊类放大。丁类放大器的效率比丙类放大器的还高，理论上可达 100，但它的最高工作频率受到开关转换瞬间所产生的器件功耗(集电极耗散功率或阳极耗散功率）的限制。如果在电路上加以改进，使电子器件在通断转换瞬间的功耗尽量减小，则工作频率可以提第 21 页 共 44 页高。这就是戊类放大器。我们已经知道，在低频放大电路中为了获得足够大的低频

44、输出功率，必须采用低频功率放大器，而且低频功率放大器也是一种将直流电源提供的能量转换为交流输出的能量转换器。高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和效率高，但二者的工作频率和相对频带宽度却相差很大，决定了他们之间有着本质的区别。低频功率放大器的工作频率低，但相对频带宽度却很宽。例如，自 20 至 20000 Hz，高低频率之比达 1000 倍。因此它们都是采用无调谐负载，如电阻、变压器等。高频功率放大器的工作频率高（由几百 kHz 一直到几百、几千甚至几万 MHz） ，但相对频带很窄。例如，调幅广播电台（5351605 kHz 的频段范围）的频带宽度为 10 kHz，如中心频率

45、取为 1000 kHz，则相对频宽只相当于中心频率的百分之一。中心频率越高，则相对频宽越小。因此，高频功率放大器一般都采用选频网络作为负载回路。由于这后一特点，使得这两种放大器所选用的工作状态不同：低频功率放大器可工作于甲类、甲乙类或乙类（限于推挽电路）状态；高频功率放大器则一般都工作于丙类（某些特殊情况可工作于乙类） 。近年来，宽频带发射机的各中间级还广泛采用一种新型的宽带高频功率放大器，它不采用选频网络作为负载回路，而是以频率响应很宽的传输线作负载。这样，它可以在很宽的范围内变换工作频率，而不必重新调谐。综上所述可见，高频功率放大器与低频功率放大器的共同之点是要求输出功率大，效率高；它们的

46、不同之点则是二者的工作频率与相对频宽不同，因而负载网络和工作状态也不同。高频功率放大器的主要技术指标有：输出功率、效率、功率增益、带宽和谐波抑制度（或信号失真度）等。这几项指标要求是互相矛盾的，在设计放大器时应根据具体要求，突出一些指标，兼顾其他一些指标。例如实际中有些电路，防止干扰是主要矛盾，对谐波抑制度要求较高，而对带宽要求可适当降低等。功率放大器的效率是一个突出的问题，其效率的高低与放大器的工作状态有直接的关系。放大器的工作状态可分为甲类、乙类和丙类等。为了提高放大器的工作效率，它通常工作在乙类、丙类，即晶体管工作延伸到非线性区域。但这些工作状态下的放大器的输出电流与输出电压间存在很严重

47、的非线性失真。低频功率放大器因其信号的频率覆盖系数大，不能采用谐振回路作负载，因此一般工作在甲类状态；采用推挽电路时可以工作在乙类。高频功率放大器因其信号的频率覆盖系数小，第 22 页 共 44 页可以采用谐振回路作负载，故通常工作在丙类，通过谐振回路的选频功能，可以滤除放大器集电极电流中的谐波成分，选出基波分量从而基本消除了非线性失真。所以，高频功率放大器具有比低频功率放大器更高的效率。高频功率放大器因工作于大信号的非线性状态，不能用线性等效电路分析，工程上普遍采用解析近似分析方法折线法来分析其工作原理和工作状态。这种分析方法的物理概念清楚，分析工作状态方便，但计算准确度较低。以上讨论的各类

48、高频功率放大器中，窄带高频功率放大器：用于提供足够强的以载频为中心的窄带信号功率，或放大窄带已调信号或实现倍频的功能，通常工作于乙类、丙类状态。宽带高频功率放大器：用于对某些载波信号频率变化范围大得短波，超短波电台的中间各级放大级，以免对不同 fc 的繁琐调谐。通常工作于甲类状态 10。（2）工作范围工作范围是指功率放大器在规定的失真度和额定输出功率条件下的工作频带宽即功率放大器的最低工作频率至最高工作频率之间的范围，单位 Hz（赫兹） 。放大器实际的工作频率范围可能会大于定义的工作频率范围。（3）工作模式功率放大器的工作模式主要有以下几种：时分双工（TDD）模式：在 TDD 模式的移动通信系

49、统中，接收和传送在同一 频率信道（即载波）的不同时隙，用保证时间来分离接收和传送信道。TDD 系统有如下特点：（1）不需要成对的频率，能使用各种频率资源，适用于不对称的上下行数据传输速率，特别适用于 IP 型的数据业务；（2）上下行工作于同一频率，电波传播的对称特性使之便于使用智能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的；时分多址（TDMA）模式：TDMA 是时分多址（Time Division Multiple Access）的英文缩写。同一频率的载波在某一特定时间内，分成若干相等的小时间段，供多个不同号码的用户使用不同的小时间段来实现连接的通信方式。简而言之，它是将一个狭窄的无线频道分割成框架性的时间片断（特别是 3 和 8） ，并将每一个时间片断分配给每一个用户的数字无线技术。第 23 页 共 44 页（4）传输增益指放大器输出功率和输入功率的比值，单位常用“dB” （分贝）来表示。功率放大器的输出增益随输入信号频率的变化而提升或衰减。这项指标是考核功率放大器品质优劣的最为重要的一项依据。该分贝值越小，说明功率放大器的频率响应曲线越平坦，失真越小，信号的还原度和再现能力越强。