1 引言

隨著現代科技的飛速發(fā)展，無線通信技術成為人們日益關注的問題之一。在工業(yè)系統(tǒng)控制中。短距離無線通信技術應用也越來越廣泛。水阻試驗是內燃機車恒功率負載試驗的主要方式之一，本文論述了在對內燃機車智能化水阻試驗系統(tǒng)數據采集部分的改進中，將原來的有線數據采集改為無線數據采集傳輸方式的無線模塊設計。

2 總體設計

無線模塊的基本電路圖如圖1所示，主要由電源、復位電路、串口連接電路和無線收發(fā)電路組成。可實現串口數據的無線收發(fā)，即：發(fā)送數據時，RS-232串口數據經過MAX232將電平轉換為TTL電平，再通過CC2430無線發(fā)送。接收數據則是發(fā)送數據的逆過程，CC2430先接收到數據信號，然后經MAX232將TTL電平轉換為RS-232的標準電平，再通過RS-232向上位機輸入數據。

3 硬件設計

無線模塊采用的無線收發(fā)器是CC2430。CC2430出自挪威Chipcon公司，是一款真正符合IEEE802.15.4標準的片上ZigBee產品。CC2430采用Chipcon公司最新的SmartRF 03技術和0.18μm CMOS工藝制造，采用7 mmx7 mm QLP48封裝；除了包括RF收發(fā)器，還集成了加強型8051MCU、32／64／128 KB的Flash內存、8 KB的RAM、ADC、DMA、看門狗等。CC2430工作在2.4GHz頻段，采用低電壓（2.0 V～3.6V）供電且功耗很低（接收數據時為27mA，發(fā)送數據時為25 mA）、靈敏度高（-97 dBm）、最大輸出為24 dBm、最大傳送速率為250 kb／s。

CC2430的外圍元件數目很少，它使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓器使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C12和電感L1、L2、L3以及一個PCB微波傳輸線組成．整個結構滿足RF輸入／輸出匹配電阻（50Ω）的要求。內部T／R交換電路完成LNA和PA之間的交換。R4、R5為偏置電阻，其中R4主要用于為32 MHz的晶體振蕩器提供合適的工作電流。用一只32 MHz石英諧振器和兩只電容（C13、C14）構成32 MHz晶體振蕩器電路。電壓穩(wěn)壓器為所有1.8 V電壓的引腳和內部電源供電，C11、C15是去耦電容，用于電源濾波。

由于CC2430具有低功耗的特性，因此，選用兩節(jié)干電池為模塊供電。另外還選用了AH805升壓穩(wěn)壓器，可將3 V電壓升高至5 V，此故電源部分可提供3 V和5 V兩種電壓，其中3 V電壓為CC2430供電，5 V電壓為MAX232和復位電路供電。

復位電路采用典型的RC復位方式，它具有上電復位和手動兩種復位功能，且低電平有效。值得注意的是，為了使系統(tǒng)達到有效復位，應使RESET-N端保持10 ms的低電平。當復位結束后立即對該器件進行初始化時，很容易發(fā)生錯誤。所以，進入0000H地址后，應首先執(zhí)行l(wèi) ms～10 ms的軟件延時，然后再進行初始化。

由于模塊采用RS232與上位機相連，因此，需要用MAX232將RS232電平轉換為TTL電平。

4 程序設計

無線模塊的設計包括硬件連接及CC2430軟件設計。編寫軟件程序首先要弄清楚數據在模塊中的傳輸路徑及其過程，如圖2所示。

發(fā)送數據時，數據通過串口USART進入CC2430的DATA內存區(qū)。對水阻試驗臺來說，DATA內存區(qū)的高128字節(jié)能夠滿足存儲容量的要求，因此將數據存放在DATA內存區(qū)的高128字節(jié)中。為了提高數據的傳輸速度，使用DMA傳輸方式將內存區(qū)中的數據傳送到Radio的先進先出緩存器。TXFIFO中。數據進入Radio后，經過一系列的硬件處理，最后通過天線向發(fā)射無線信號。

接收數據是發(fā)送數據的逆過程。Radio從天線接收到無線信號，通過一系列的硬件處理，將信號轉換為數據，存放在RXFIFO中，再通過DMA方式送入DATA內存區(qū)的低128字節(jié)中，再通過USART串口將接收到的數據送出。

不難看出，整個數據傳輸過程大部分都是在CC2430內部完成。這得益于CC2430具有極高的集成度，是一款片上系統(tǒng)，能夠提供較高的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。CC2430包括了較多的自定義SFR寄存器，如何使用好這些SFR寄存器較為關鍵。例如在對USART的控制操作中，CC2430內部集成的USART的控制寄存器和狀態(tài)寄存器分別是UxUCR和UxCSR（其中x可取值為0和1，表示CC2430集成的兩個USART中的一個）。UxCSR狀態(tài)字格式和UxUCR控制字格式如表l所示。用這兩個寄存器可完成USART的基本設置，如：

值得注意的是，CC2430串口波特率的設置與一般8051不同，因為其內部集成了一個波特率發(fā)生器，因此，不需要使用定時器而只需設置相關的SFR寄存器UxBAUD.BAUD_M［7：0］和UxGCR.BAUD［4：0］，便可得到系統(tǒng)要求的波特率，其關系式如下：

同樣，對DMA和Radio的操作也有這樣功能全面的SFR寄存器。對CC2430進行程序設計，其實就是對其SRF寄存器的認識和運用過程，篇幅所限這里不一一贅述。

5 系統(tǒng)抗干擾

由于系統(tǒng)所處環(huán)境有較強的電磁場干擾，因此需要進行電磁屏蔽。具體方法為：將模塊置于一個鋁質外殼中，外殼通過RS232接口與上位機外殼連接，實現接地。鋁質外殼相當于一個空心的導體，置于電場中，電力線終止于導體表面，從而有屏蔽電場的作用。鋁質外殼也相當于一個屏蔽罩，在高頻磁場的作用下產生渦流，而渦流的磁場與原磁場方向相反，從而可屏蔽高頻磁場。

6 結束語

本文所提及的無線模塊雖然是針對水阻試驗系統(tǒng)中的數據采集部分進行改造的，但是由于與上位機的連接采用RS232，所以此無線模塊也可應用于一般的帶RS232串口的數據采集系統(tǒng)。

責任編輯：gt