毕业论文--单片机通信系统设计

本科生毕业论文(设计)

中文题目：基于凌阳单片机的通信系统设计

英文题目：Sunplus based communication system design

摘要

本设计是基于单片机控制的短距离无线语音通信系统，具有抗干扰性能强，可靠性高，安全性好，受地理条件限制少，安装灵活等优点，在许多领域有着广泛的应用前景。本系统采用凌阳 SPEC061A 单片机的语音功能，借助 NRF24L01的无线收发模块，实现简易的双向无线语音传输功能。随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理等领域。

关键词：凌阳 SPEC061A；NRF24L01；单片机；无线语音传输

Abstract

This design is based on single-chip microcomputer control short-range wireless voice communication system, has the strong anti-jamming performance, high reliability, good safety, less influenced by geographic restrictions, installation, flexible, and other advantages in many fields has wide application prospects. The system USES the SPEC061A MCU speech function of sunplus, by NRF24L01 wireless traNsceiver module, achieve simple two-way radio voice transmission function. Along with the development of single-chip function integration, and its application field also gradually from the traditional control, expanded to control Processing, data Processing and Digital Signal Processing (DSP, Digital SigNal allow), etc.

Keywords：LingYang SPEC061A；NRF24L01；Microcontroller；wireless voice traNsmission

目录

摘要

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第一章绪论

1.1短距离无线通信研究背景与现状分析 ..... 错误！未定义书签。

1.2短距离无线通信技术 ................................. 错误！未定义书签。第二章 SPCE061A 凌阳单片机简介. (4)

2.1凌阳16 位单片机 (4)

2.2 SPCE061A 简介 (5)

第三章系统硬件设计 (12)

3.1 61板原理图及基本组成介绍 (12)

3.2 单片2.4GHz NRF24L01 无线模块 (19)

第四章系统软件设计 (23)

4.1 软件设计 (23)

4.2 系统测试 (24)

第五章无线通信系统程序 (25)

第六章系统运行结果 (35)

6.1系统运行结果 ............................................. 错误！未定义书签。第七章结束语..................................... .41参考文献.. (42)

致谢 (43)

第一章绪论

1.1短距离无线通信研究背景与现状分析

工业应用中，现阶段基本上都是以有线的方式进行连接，实现各种控制功能。各种总线技术，局域网技术等有线网络的使用的确给人们的生产和生活带来了便利，改变了我们的生活，对社会的发展起到了极大的推动作用。有线网络速度快，数据流量大，可靠性强，对于基本固定的设备来说无疑是比较理想的选择，的确在实际应用中也达到了比较满意的效果。但随着射频技术、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速度也越来越快，并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平。而同时有线网络布线麻烦，线路故障难以检查，设备重新布局就要重新布线，且不能随意移动等缺点越发突出。在向往自由和希望随时随地进行通信的今天，人们把目光转向了无线通信方式，尤其是一些机动性要求较强的设备，或人们不方便随时到达现场的条件下。因此出现一些典型的无线应用，如：无线智能家居，无线抄表，无线点菜，无线数据采集，无线设备管理和监控，汽车仪表数据的无线读取等等。短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米以内，就可以称为短距离无线通信。低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。低功耗是相对其它无线通信技术而言的一个特点，这与其通信距离短这个先天特点密切相关，由于传播距离近，遇到障碍物的几率也小，发射功率普遍都很低，通常在１毫瓦量级。对等通信是短距离无线通信的重要特征，有别于基于网络基础设施的无线通信技术。终端之间对等通信，无须网络设备进行中转，因此空中接口设计和高层协议都相对比较简单，无线资源的管理通常采用竞争的方式，如载波侦听。

1.2 短距离无线通信技术

短距离无线通信实用技术主要有：红外技术，蓝牙技术，802.11b 无线局域网标准技术，微功率短距离无线通信技术，现简介如下。

1.2.1 红外技术

红外遥控技术是一种利用红外线进行点对点通信的技术，其相应的软件和硬件技术都已比较成熟。它一般由红外发射和接收系统两部分组成。发射系统对一个红外辐射源进行调制后发射红外信号，而接收系统用光学装置和红外探测器进行接收，就构成红外通信系统。

它在技术上的主要优点是：1、无需专门申请特定频率的使用执照；2、具

有移动通信设备所必需的体积小、功率低的特点；3、传输速率适合于家庭和办公室使用的网络；4、信号无干扰，传输准确度高；5、成本低廉。它的缺点是：1、由于它是一种视距传输技术，采用点到点的连接，具有方向性，两个设备之间如果传输数据，中间就不能有阻挡物； 2、通讯距离较短，红外线 LED 不是一种十分耐用的器件；3、红外射束易受尘埃、雨水等物质的吸收，如何在野外环境下克服这些物质的吸收，增强红外射束信号的强度是重要的研究课题。

1.2.2 蓝牙技术

“蓝牙(Bluetooth)”是一个开放性的、短距离无线通信技术标准，也是目前国际上最新的一种公开的无线通信技术规范。它可以在较小的范围内，通过无线连接的方式安全、低成本、低功耗的网络互联，使得近距离内各种通信设备能够实现无缝资源共享，也可以实现在各种数字设备之间的语音和数据通信。由于蓝牙技术可以方便地嵌入到单一的 CMOS 芯片中．因此，特别适用于小型的移动通信设备，使设备去掉了连接电缆的不便，通过无线建立通信。蓝牙技术以低成本的近距离无线连接为基础，采用高速跳频(FrequeNcy Hop 为固定与移动 -piNg)和时分多址(Time DivisioN Multi-access-TDMA)等先进技术，设备通信环境建立一个特别连接。蓝牙技术使得一些便于携带的移动通信设备和计算机设备不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线连接因特网．其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的无线通信网络。打印机、PDA、桌上型计算机、传真机、键盘、游戏操纵杆以及所有其它的数字设备都可以成为蓝牙系统的一部分。目前蓝牙的标准是 IEEE802.15,工作在 2.4GHz 频带，通道带宽为 1Mb/s，异步非对称连接最高数据速率为 723.2kb/s。蓝牙速率亦拟进一步增强，新的蓝牙标准2.0 版支持高达 lOMb/s 以上,这是适应未来愈来愈多宽带多媒体业务需求的必然演进趋势。作为一个新兴技术，蓝牙技术的应用还存在许多问题和不足之处，如成本过高、有效距离短及速度和安全性能也不令人满意等。但毫无疑问，蓝牙技术已成为近年应用最快的无线通信技术，它必将在不久的将来渗透到我们生活的各个方面。

1.2.3 802.11b 技术

IEEE(INstitute of Electical aNd ElectroNics ENgiNeers )802.11b 技术标准是无线局域网的国际标准，使用 2.4GHz 的 ISM 频段， 802.11b 协议主要工作在OSI(OpeN System INtercoNNect RefereNce Model)的物理层和数据链路层，其物理层支持 5.5 MBit/s 和 11 MBit/s 两种速度，采用直接序列扩普 DSSS(Direct SequeNce SpreadSpectrum)技术进行调制解调增强了抗干扰

能力，提高了传输速度，并使用动态速率漂移，数据传输速率可根据环境在 11 MBit/s、5.5MBit/s、2MBit/s、1MBit/s之间自动切换，有效通讯距离 100－300 米。 802.11b 无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上AP，就可以提供无线网络服务，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，象使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。802.11b 具有有线等价保密机制 WEP（Wired EquivaleNt Privacy）确保数据安全。以其具有穿透能力，全方位传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络，运营成本低，投资回报快等特点，正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐，目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。

1.2.4 微功率短距离无线通信技术

它一般使用数字信号单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，一般射频芯片采用 FSK 调制方式，工作于 ISM 频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能，因其功率小，开发简单快速而应用广泛，但数据传输速度、流量都较小，较适合搭建小型网络。在工业，民用领域使用较广。

1.2.5 几种技术的比较分析

现将几种通信技术进行比较：

表 1-1

红外通信技术由于在数据传输过程中两个通信设备之间不能有障碍物，且不能边移动边传输，因此不适合在复杂的工作环境中使用。蓝牙技术的有效传输距离小于10m，更适合鼠标、键盘等设备。802.11b 技术标准是无线局域网的国际标准，主要用来组建大型的无线网络,设备比较昂贵。微功率短距离无

线通信一般使用数字信号单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围元器件即可构成专用或通用无线通信模块。其功率小、开发简单快速而被广泛应用。通过表1-1比较分析，微功率技术由于其系统功耗低，通信距离远，开发容易，模块成本低，很适合用做无线遥控的无线通信模块，便于大规模投入生产。

第二章SPCE061A 凌阳单片机简介

2.1 凌阳 16 位单片机

随着单片机功能集成化的发展，其应用领域也逐渐地由传统的控制，扩展为控制处理、数据处理以及数字信号处理（DSP，Digital SigNal ProcessiNg）等领域。凌阳的 16 位单片机就是为适应这种发展而设计的。它的 CPU 内核采用凌阳最新推出的μ’Nsp MicrocoNtroller （ aNd SigNal Processor）16 位微处理器芯片（以下简称μ’NSP?）。围绕μ’NSP?所形成的 16 位μ’NSP?系列单片机（以下简称μ’NSP?家族）采用的是模块式集成结构，它以μ’NSP ?内核为中心集成不同规模的 ROM、RAM 和功能丰富的各种外设接口部件，如图2.1所示。

图2-1 μ’NSP?家族的模块式结构

μ’NSP?内核是一个通用的核结构。除此之外的其它功能模块均为可选结构，亦即这种结构可大可小或可有可无。借助这种通用结构附加可选结构的积木式的构成，便可形成各种不同系列派生产品，以适合不同的应用场合。这样做无疑会使每一种派生产品具有更强的功能和更低的成本。

1.μ’NSP?家族有以下特点:

体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展

μ’NSP?家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里，内部采用总线结构，因而减少了各功能部件之间的连线，提高了其可靠性和抗干扰能力。另外，模块化的结构易于系统扩展，以适应不同用户的需求。

2.具有较强的中断处理能力 :

μ’NSP?家族的中断系统支持 10 个中断向量及 10 余个中断源，适合实时应用领域。

3.高性能价格比:

μ’NSP?家族片内带有高寻址能力的 ROM、静态 RAM 和多功能的 I/O 口。另外，μ’NSP?的指令系统提供具有较高运算速度的 16 位×16 位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了 DSP 功能，使得μ’NSP?家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的 DSP 芯片廉价。

4.功能强、效率高的指令系统:

μ’NSP?的指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。

5.低功耗、低电压

μ’NSP?家族采用 CMOS 制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。另外，μ’NSP?家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。

2.2 SPCE061A 简介

2.2.1 总述

SPCE061A 是继μ’NSP?系列产品 SPCE500A 等之后凌阳科技推出的又一个16 位结构的微控制器。与 SPCE500A 不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A 里只内嵌 32K 字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使μ’NSP?能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与 SPCE500A 相比，以μ’NSP?为核心的 SPCE061A 微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。

2.2.2 性能

16 位μ’NSP?微处理器；

工作电压：VDD 为 2.6~3.6V(cpu), VDDH 为 VDD~5.5V(I/O)；

CPU 时钟：0.32MHz~49.152MHz ；

内置 2K 字 SRAM；

内置 32K FLASH；

可编程音频处理；

晶体振荡器；

系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电小于2μA@3.6V；

2 个 16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；

2 个 10 位 DAC(数-模转换)输出通道；

32 位通用可编程输入/输出端口；

14 个中断源可来自定时器 A / B，时基，2 个外部时钟源输入，键唤醒；

具备触键唤醒的功能；

使用凌阳音频编码 SACM_S240 方式(2.4K 位/秒)，能容纳 210 秒的语音数据；

锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号；

32768Hz 实时时钟；

7 通道 10 位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；

声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；

具备串行设备接口；

具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；

内置在线仿真电路 ICE（IN- Circuit Emulator）接口；

具有保密能力；

具有 WatchDog 功能（由具体型号决定）。

2.2.3 结构概览

SPCE061A 的结构如图 2-2所示：

图2-2 SPCE061A 的结构

2.2.4 芯片的引脚排列和说明

SPCE061A 共有 84 个引脚，封装形式为 PLCC84，它的排列如图 2-3所示，在 84 个引脚中有空脚 15 个，其余管脚功能说明如表 2-1 所示。

表2-1 管脚功能表

图2-3 SPCE061A 引脚排列图

2.2.5 特性

SPCE061A 系统的特性参数如表 2-2所示。

表2-2 系统特性参数

2.2.6 SPCE061A 最小系统

最小系统接线如图 2-5所示，在 OSC0、OSC1 端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入 VCP 端接上相应的电容电阻后即可工作。其它

不用的电源端和地端接上0.1μF 的去藕电容提高抗干扰能力。

图2-5 SPCE061A 最小系统原理图

2.2.7 SPCE061A 开发方法

SPCE061A 的开发是通过在线调试器 PROBE 实现的。它既是一个编程器（即程序烧写器），又是一个实时在线调试器。用它可以替代在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具——硬件在线实时仿真器和程序烧写器。它利用了SPCE061A 片内置的在线仿真电路 ICE（IN- Circuit Emulator）接口和凌阳公司的在线串行编程技术。PROBE 工作于凌阳 IDE 集成开发环境软件包下， 5 芯的仿真头直接连接到目标电路板上 SPCE061A 相应其管脚，直接在目标电路板上的 CPU---SPCE061A 调试、运行用户编制的程序。PROBE 的另一头是标准 25 针打印机接口，直接连接到计算机打印口与上位机通讯，在计算机 IDE 集成开发环境软件包下，完成在线调试功能。图 2-6是计算机、PROBE、用户

目标板三者之间的连接示意图，图 2-7是实物连接图。

图 2-6是计算机、PROBE、用户目标板三者之间的连接示意图

图 2-7是实物连接图

2.2.8 应用领域

语音识别类产品

有语音功能的仪器仪表

有语音功能的家电产品

有语音功能的自动售货机

智能语音交互式玩具

高级亦教亦乐类玩具

儿童电子故事书类产品

通用语音合成器类产品

需较长语音持续时间类产品

第三章系统硬件设计3.1 61板原理图及基本组成介绍

表3-1 61结构表说明

图3-1 61结构组成框图