一种无线射频收发模块的应用

摘要：介绍了一种新型廉价的无线收发模块。通过这种模块可以实现无线通讯和无线控制等多种功能。首先详细地介绍了发射模块和接收模块的性能参数；接着提出几种使用方法；最后举出一个应用实例，系统地叙述了这种模块的使用方法。 关键词：编码器 译码器 无线控制 模块 随着现代电子技术的飞速发展，越来越多的通讯产品大量涌现出来，尤其是无线通讯领域的新产品，更是琳琅满目。目前，天线通讯方式有无线电、红外线、微波等多种方式，而且可供选择的模块也有很多种。考虑到应用环境和价格等因素，本文选择其中廉价的发射模块（F05）和接收模块（J05C）进行介绍。它们价格便宜、传输距离较远、可靠性高，特别适合于低成本的无线通讯设备使用。希望通过本文的介绍，能够给致力于无线通讯和无线控制领域的工程师们带来一些有益的帮助。 1 无线射频收发模块简介 1．1 发射模块F05 发射模块F05原理如图1所示。F05采用声表谐振器稳频，SMT树脂封装，频率一致性较好，免调试，特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统；而一般LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，误差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。F05具有较宽的工作电压范围及低功耗特性。当发射电压为3V时，发射电流约为2mA，发射功率较小；12V为最佳工作电压，具有较好的发射效果，发射电流约为5～8mA，大于12V时直流功耗增大，有效发射功率不再明显提高。F05系列采用AM方式调制以降低功耗，数据信号停止发射时发射电流降为零，数据信号与F05之间采用电阻而不能采用电容耦合，否则F05将不能正常工作。数据信号电平应接近F05的实际工作电压以获得较高的调制效果，F05对过宽的调制信号易出现调制效率下降、收发距离变近的现象。当脉冲高电平宽度在0.08～1ms时发射效果较好，大于1ms时效率开始下降；当脉冲低电平宽度大于10ms时，接收到的数据第一位极易被干扰（即零电平干扰）而引起不解码。如采用CPU编译码，可在数据识别位前加一些乱码以抑制零电平干扰；如采用通用编解码器，可调整振荡电阻使每组码中间的低电平区小于10ms以抑制零电平干扰。F05输入端平时应处于低电平状态，输入的数据信号应是正逻辑电平，幅度最高不应超过F05的工作电压。 F05天线长度可在0～250mm之间调节，也可无天线发射，但发射效率下降。F05C为改进型，体积更小，内含隔离调制电路以消除输入信号对射频电路的影响，信号直接耦合，性能更加稳定。F05应垂直安装在抑制板边部，并应离开周围器件5mm以上，以免受分布参数影响而停振。F05发射距离与调制信号频率及幅度、发射电压及电流容量、发射天线、接收机灵敏度及收发环境有关。F05采用PT2262编码器加240mm小拉杆天线发射时，在开阔区最大发射距离约250m，在障碍区相对要近，由于折射反射会形成一些死区及不稳定区域，不同的收发环境会有不同的收发距离。如需要远的可靠距离，可在F05的输出端增加一级射频功率放大器。 PT2262编码器采用COMS工艺，与PT2272配套使用。它的编码数据和地址以串行方式并且通过RF或IR调制方式发射。PT2262最多采用12条三态地址线，可以提供531441种地址编码。因此，最大程度上避免了编码的冲突 PT2262应用电路如图3上部所示。振荡电阻取3.3MΩ效果较好，当17脚无信号输出时，F05不工作，发射电流为零；当14脚（图中省略）为低电平时，17脚输出已设定的编码脉冲对F05进行调制发射，通过测试F05工作电流可大致判断F05是否处于正常发射状态，加天线时空码发射电流为6mA左右；调整R2可调整发射电流的大小，R2取值小可提高发射距离，但易引起过调制甚至停振。 1．2 接收模块J05C J05C由超外差电路结构IC芯片和温度补偿电路构成，具有较高的接收灵敏度及稳定性，如图2所示。芯片内含低噪声射频放大器、混频器、本地振荡器、中频放大器、滤波器及限幅比较器，输出为数据电平信号，可直接接至标准解码器或CPU解码器，适合与ASK方式的发射器配套使用，适用于各种遥控报警器及单片机短距离数据传输设备。 J05C接收频率分为315MHz及433.92MHz两种，并具有较好的频宽及温度补偿特性，可与一般精度的声表谐振器稳频的发射机及LC发射机配套使用而不需要调整接收频率，较宽的工作温度范围可适应各种工作环境。J05C对电源要求不太苛刻，可以使用开关电源，并具有较宽的工作电压范围及低功耗特性，2V时只消耗约2mA电流，3V消耗约2.5mA电流，但5V以下供电接收灵敏度要下降3～5dBm，5V供电可处于最佳接收灵敏度状态。 J05C模块具有休眠功能，当芯片9脚为高电平（VDD-3V以上）时，接收机可处于休眠状态，此时耗电约25μA。通常芯片9脚已接为低电平（0.8V以下），处于正常接收状态，若需休眠功能可自行改动。 图2 J05C接收天线的长度为接收频率的1/4波长，约22cm，阻抗约37Ω，为最佳匹配天线，但在实际应用中会受到各种条件限制，具本需试验确定。当信号较弱而干扰点又引起信号不稳时，可将天线剪去5cm也许会有所改善。也可采用螺旋天线或将天线直接做在PCB板上，甚至无天线接收，当然接收灵敏度要下降。匹配良好的收发天线能使收发模块性能达到最佳状态，而匹配不良的收发天线会使收发距离变得很近。 J05C最大数据传输速度为5kbps，调整内部电容值可达到20kbps，但过高的数据速率会降低接收灵敏度及增大误码率。如用于一般遥控报警器，不必使用过高的速率，现在遥控报警器普遍使用性价比较好的PT2262编解码及PT2272解码器，振荡电阻分别采用3.3MΩ和680kΩ即可有较好的收发距离（此电阻值必须精确）。如用于单片机收发系统，速率可取4.8kbps或2.4kbps，同时应兼顾到收射效率。当数据中有连续几个“1”且脉宽超过1ms时，会引起发射效率下降，而且太大的占空比及大低的频率易引起过调制。高电平脉宽在0.1～1ms范围内，收发效果较好。不合适的数据速率同样会影响到收发距离，甚至收不到信号。 J05C输出端可直接与标准解码器及单片机接收。J05C在未收到发射信号时可输出随机噪声，幅度为VDD-0.3V值；当收到信号时，噪声被抑制；当信号变弱时，出现噪声干扰点，此时信号处于不稳定区，若采用PT2272解码器解码仍可维持解码，若采用单片机解码则会因误码率增大而出现数据错误，此时可在数据位前加乱码抑制零电平状态干扰，最好工作在可靠区域以减小误码率。 2 无线射频收发模块使用方法和范围 本文所介绍的无线通讯模块可以用于多种场合，在此仅介绍三种。 2．1 用于通用串口（RS232）的无线数据传输 在工业控制现场，通常有很多控制仪器和设备采用串口（RS232），而与这些设备通讯必须满足串口（RS232）的要求。一方面在传输速率（通常采用9.6kbps）上必须符合RS232的要求；另一方面在电气特性上也必须符合RS232的要求。在某些特殊场合，必须使用无线传输方式时，可以很自然地选择本文所提到的发射和接收模块。但在此必须说明的是，要采用此种通讯方式，必须先在发射端和接收端分别编制相应的软件实现文件格式的转换，才能达到无线通讯的目的。如果通讯系统是全双工的，则可以采用两对射和接收模块（采用不同的编码地址）同时工作来实现。 2．2 用于无线多通道（并行）控制 某些场合需要多通道（并行）控制，如复杂的遥控机器人等，可以采用本文所提到的发射和接收模块来实现。一种方法是用接收模块直接和解码器相连，然后再和继电器等电子元器件相连，驱动后续的被控对象；另一种方法是用接收模块和单片机相连，经过数据的处理后，再用单片机连接继电器等电子元器件，驱动后续的被控对象。通常一对发射和接收模块最多可以实现六路并行的无线控制，如果要求的通道数大于六路，可以采用多对发射和接收模块（采用不同的编码地址）同时工作来满足实际的需要。 图3 2．3 用于组建星型拓扑结构的无线通讯网络 在某些特殊场合需要无线通讯，并且必须是多点的星型拓扑结构，此时也可以采用本文所提到的发射和接收模块来实现。一方面这种发射和接收模块的价格低廉，构成星型拓扑结构的费用相对较低；另一方面这种发射和接收模块可采用模块化设计，体积小、使用方便、易于集成。对于通讯速度要求不太高、距离较近的无线网络来说，这种发射和接收模块十分实用。 3 应用实例 通过使用本文所介绍的发射模块和接收模块，作者完成了一套简单、可靠的多路多无线遥控电路，如图3所示。在这套电路里，通过控制总线设定电路中的小键盘，可以同时控制多个电灯的开关。 作者使用这种无线通讯模块，实现了对家里的六个不同电灯的独立控制。由于现在的家居设计对于很多电器的连线都采用综合布线的方法，这样就给各种家用电器的集中控制带来了可能。作者设计了前面提到的第二种使用方法，共用了六个并行通道。用接收模块直接和解码器相连，然后解码器再和单片机相连，经过数据处理（可以实现六通道的再译码，最多可以达到六个四路控制），控制继电器等电子元器件，从而控制各个电灯的开关，最终实现了六路非同步控制的要求，并取得了良好的控制效果。