基于超再生原理的单片机无线接收电路设计＊

任 娟，张永华

（1.河南省工业科技学校，河南 新乡 453003；2.郑州航天电子技术有限公司，河南 驻马店 461000）

引言

随着计算机技术的快速发展，单片机以较高的性价比、灵活的编程和控制方式，越来越广泛地应用于各个领域。目前，多个单片机组成的系统之间的通信方式主要是RS485，它规定了接口的电气特性，用户使用十分简单，而且在波特率小于100kbit/s的情况下有效通信距离可达1219米，抗干扰能力强，因而在现在仪器仪表及监测监控系统中应用极为广泛［1］。但在有些要求比较苛刻的场合，比如操作终端经常移动的手持遥控器，没有布置电力线的角落或者室外，还有些无法布置通信线路的场合等，传统的通信方式受到很大限制，甚至无法完成通信任务。此时，无线通信是一个非常好的选择。

无线通信的介质，主要有红外线和无线电。红外因其直线传播的特性，主要用于室内短距离的家电遥控。而无线电的穿透和衍射能力较强，因而应用范围更加广泛。在接收灵敏度一定的情况下，自由空间中无线电波传播的损耗为：

式中，Loss—传播损耗，单位dB；d—距离，单位km；f—工作频率，单位MHz。

式（1）是理想状况下的无线电传输损耗公式，实际的传输距离会低于根据式（1）计算的数值，这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗大于理论损耗。在固定的频率条件下，影响通信距离的主要因素有：发射功率、接收灵敏度、传播损耗、天线增益等。对于系统设计者，周围环境对电波的吸收，多径干扰，传播损耗等是无法改变，但是可以优化发射功率、接收灵敏度和天线等。

在频率一定的情况下，增加无线发射功率来增加无线通信距离的方式的弊端有：增加功耗；增加系统复杂性和成本；可能导致发射器饱和失真，产生谐波，降低信噪比。因此，在发射功率一定和信噪比允许范围内，提高无线电的接收灵敏度来增加无线电的通信距离的方式是更切合实际、简单易行的方式。

目前，应用较多的无线电接收方式是超外差检波和超再生检波方式。超外差式接收电路的工作原理和超外差式收音机的原理相同。首先将接收到的信号加以放大，和本机等幅振荡信号相减后，产生频率固定的中频信号，低频控制信息调制在中频信号的幅度上，成为中频信号的“包络线”。中频信号加以两级或三级放大，取出中频信号“包络线”中所包含的低频控制信息，就可以得到正确的遥控信号。在保证电路工作稳定的情况下，中频放大电路中的增益自动控制电路可以将中频电路的增益设计得很高，即使微弱的信号超外差接收电路也能做到稳定的接收。因此，超外差式接收电路的放大倍数大，接收灵敏度高。

超再生检波电路本身是由高频振荡电路组成的，由外部同频率的接收信号所激励，形成正反馈，从而得到信号输出。高频振荡电路一般采用电容三点式振荡电路，振荡电路的频率和无线电的载波频率一致。由于超外差式振荡电路起振与否取决于外部信号，因此该电路称为间歇振荡电路。其频率取决于电路中电容和电感的参数（100到几百千赫），频率的高低影响电路的抗干扰性能，频率低，灵敏度较低，电路的抗干扰性好；频率高，灵敏度较高，但电路的抗干扰性能差。超再生检波电路在未收到无线载波信号时，由于空间中的杂散干扰信号和自身的热噪声，所产生的噪声，称为超噪声，频率范围在0.3kHz～5kHz之间。无信号时，超噪声所占比例较大，所输出的电压为超噪声电压；有无线信号时，电路产生谐振，超噪声受到抑制，高频振荡电路产生振荡，经过滤波和放大后输出无线控制信号。

与超再生检波电路相比，超外差式接收电路无论在接收灵敏度上，还是选择性上都有很大的提高，在抗干扰方面更加显著。但缺点也是明显的，主要有：

1）超外差式接收电路成本较高。超外差（内差）类接收电路的成本相对来说较高。现在市场上出售的超外差（内差）器件，普遍采用的是3310或3400作为主要器件，同时还必须采用晶体作为本振的时钟，因此生产的成本较高，而超再生模块，普遍采用的是一片双运放芯片358作为数据的放大与整形，因此成本较低。

2）近距离通信时，超外差式接收电路容易阻塞。在近距离应用时，超外差式接收电路会发生信号阻塞现象，即距离很近时，无法正确接收信号了，这是由于近距离时，信号强度太强，致使信道阻塞，无法完成解调。

因此，在近距离应用时，超再生模块的成本优势比较明显，其缺陷，如较高的误码率，可以通过通信的错误校验来降低。这也是目前在很多近距离无线通信系统中，超再生模块应用较多的原因。

1 超再生无线接收电路和工作原理

超再生接收机技术自20世纪20年代由Armstrong首次提出，已经有80多年的应用历史，可以说是一种古老的非相干检测技术；超再生接收机因其结构简单、低成本、功耗小和较高的灵敏度而应用在诸如遥控、遥测等无线通信系统中，能够检测到很微弱的信号［2］。

图1 超再生式无线接收电路

超再生接收机亦称超再生检波机，它实际上是一种再生检波电路，工作在间歇（猝熄－quench）振荡状态，如图1所示。高频振荡电路可以看作是一个受间歇振荡控制的电路，采用电容三点式振荡电路，如图1所示。C7、L3决定高频振荡电路的频率，L2为扼流线圈，C8为反馈电容，经过L2反馈到三极管Q2的基极。如果没有无线载波信号，则Q1输出稳定的直流电压，经过C4、C12后，Q2基极得到的电压可认为为零。如果有无线载波信号，则进过Q1放大后，输出到Q2的基极，经二次放大，由C8反馈到基极，进一步放大，由此形成正反馈。当振荡幅度达到一定程度后，LM358正向端电压大于负向端时，LM358输出高电平。

电阻R13用于信号取样和增加振荡阻尼，防止电路自激和超噪声水平过大。LM358结成同相比例放大电路，放大倍数约为A＝1＋R15/（R10//R11//R12）≈940，因此只要振荡电路的幅度达到5.32mV超再生接收电路就输出高电平。因此，实际应用中，突变的发射信号波形较好，时间过长的高电平和低电平则容易使高频振荡电路受到外界噪声干扰而导致接收信号波形变差。

2 单片机的无线通信电路

制作无线电路的目的是为了进行数据传输或者遥控。无线电在数据传输过程中，容易失去同步而导致通信失败。可以使用软件编程或硬件电路实现通信同步和通信信道的控制。软件编程的思路是插入起始字符（位）和结束字符（位）来进行同步，使用数据效验来避免传输错误，如果出错，则重新传输。硬件一般发射时使用PT2262，接收使用PT2272芯片进行通信的编码和解码。

1）通信的编码和解码电路

无线电传输控制使用的控制芯片PT2262/2272，有4个数据通道，8位地址。发射模块和接收模块的地址必须对应，才能进行传输。编码方式有0、1、悬空，因此，地址编码可以有38＝6561种组合，数据可以同时传送4位，也可以只传送1位，对于发射来说，每次都将4位数据组合成一帧发送出去，由对应地址的接收解码芯片PT2272解码输出。PT2262/2272的芯片引脚如图2和图3所示。

发射芯片PT2262，如图2所示，当TE接地时，在17脚的Data OUT端就有波形输出。接收解码芯片PT2272有4种样式，如图3所示。PT2272－L4接收的数据将会锁存，直到新的数据到达，否则一直保持原数据。PT2272－M4则不保存，接收的数据停留一段时间，发射停止时，接收端的数据也就不存在了。VT是标志接收信号的，当有数据被接收时，该引脚为高电平，否则为低电平。接收解码芯片PT2272－L6/PT2272－M6则是占用了高两位地址A6、A7，将之作为数据的接收的低两位，以牺牲地址位的代价换取数据位。

图2 发射编码芯片PT2262

图3 接收解码芯片PT2272

PT2262编码电路与PT2272解码电路一般配对使用，PT2262的特点是在其内部已经把编码信号调制在了一个较高的载频上。要把遥控编码信息用无线方式（红外线或无线电等）传送出去，必须有载体（载波），把编码信息“装载”在载体上（调制在载波上）才能传送出去，因此需要一个振荡电路和一个调制电路。PT2262编码器内部，已包含了这些电路，从DOUT端送出的是调制好了的约38kHz的高频已调波。

2）与单片机的通信接口

图4为无线接收模块与单片机的无线接口电路示意图。J1为无线接收模块，收到的无线数据信号传送到PT2272的14脚（DataIn），进行数据解码，解码得到的数据经D8－D11传送到单片机的14－17脚。PT2272一旦接收到信号，并且解码成功，VT即输出高电平，经过Q1组成的反相电路，触发单片机的外部中断INT0。

图4 单片机的无线接口电路

R1－R4为上拉电阻。R5为振荡电阻，振荡电阻必须匹配，一般要求译码器振荡频率要高于编码器振荡频率的2.5～8倍，否则接收距离会变近甚至无法接收。随着技术的发展市场上出现一批兼容芯片，在实际使用中只要对振荡电阻稍做改动就能配套使用。在具体的应用中，外接振荡电阻可根据需要进行适当的调节，阻值越大振荡频率越慢，编码的宽度越大，发码一帧的时间越长。市场上大部分产品都是用2262/1.2M＝2272/200K组合的，少量产品用2262/4.7M＝2272/820K。

单片机选用STC12LE5AS2，供电电源为3.3 V，2个串行通信接口，可以更加方便地与其他系统进行数据通信。单片机从P3口的高4位读取接收到的数据，进行解码后，进一步控制其他设备，或将收到的数据进一步传输到其他设备进行显示或间接控制。

3 软件编写

硬件电路设计好之后，系统功能主要依靠程序来实现。数据接收的主程序流程如图5所示。端口初始化内容主要包括：变量设置和初始赋值、存储空间分配、外部中断触发方式设置、串行通信设置、启动看门狗等。

程序在空闲状态下等待外部中断被触发。一旦进入外部中断，即认为PT2272已经将调制在载波上的无线数据解析出来，单片机立即读取P3口高4位上的数据，按照所拟定的通信协议，进一步解析通信帧的功能，并调用相应的中断服务程序执行。如图6所示为显示中断服务程序流图，进入外部中断服务程序后，首先根据接收到的功能号，判断当前通信功能，如果是显示，则进一步接收显示的数据，调用显示函数，显示接收到的数据。执行完显示功能后，返回程序断点继续执行主程序。

图5 主程序流程

图6 显示服务程序流程

4 结论

无线数据传输广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、小型无线数据终端、无线遥控系统、无线232数据通信等领域中［3］。使用市场上成本较低的超再生式无线接收电路和单片机组成的无线接收电路，不仅可以实现无线电数字通信，而且可以通过编写程序，实现一定智能的功能。这与传统纯粹依靠电子线路实现的电路功能相比，实现方式更加灵活，且功能更改或系统升级改造更加方便、容易实现。

（责任编辑吕春红）

［1］杨生元.波特率自适应RS485隔离中继器设计［J］.工矿自动化，2011，（11）：56－60.

［2］关义波，邹传云，莫延飞.一种基于超再生原理的直扩通信系统新型接收机的设计［J］.微波学报，2006，6（22）：212－216.

［3］张宏杰.基于DPS的公交电子站牌设计［D］.无锡：江南大学，2007.