基于STC12C5A60S2多功能通信开发板设计

引言

随着通信技术日新月异，无线通信应用领域越来越广泛，如无线远程家庭防盗系统、无线车载终端智能防盗系统、无线温度采集系统、短距离无线蓝牙系统、ZigBee无线网络通信系统等应用。然而，一直以来，高校在教学中讲解现代无线通信的多种应用时，基本上都是停留在书本上的原理、理论，学生也只能很抽象地了解这些应用案例；即使有机会接触实际硬件时，但由于硬件平台要求学生的知识起点很高，大部分学生也只能是看看实验现象，不能很好地掌握它。出现这种情况有以下原因：通信技术变化太快，新的技术不断涌现，而学校的很多硬件设备都是停留于5年前甚至10年前，更新太慢；可能有部分学校购置了最新的无线通信实验平台，但是由于没有考虑这些新的设备是否适合相关专业学生的接受能力，所以教学效果不好，学生对知识的应用仅仅停留在感性的认识上。鉴于此，结合多年的实践教学经历，根据通信专业学生的特点，自行设计了一套多

功能通信开发板（可以扩展），用于专业综合实践、毕业实践、创新实践等课程；考虑到本专业学生先前学过51系列单片机，开发板CPU芯片选用STC12C5A60S2；利用开发板可直接完成以下综合项目：基于GPRS网络的手机短信远程控制小灯；基于GPRS网络的温湿度数据采集；基于GPRS网络的家庭防盗系统设计；基于nRF905的无线温度数传；多功能万年历设计（可以用无线按键控制实现）。另外，本多功能开发板有扩展引脚，方便学生用于创新项目的开发。

1.1多功能开发板硬件设计思路

随着专业课的深入学习，学生对新的通信技术应用案例的要求，已经从概念转向实际项目的操作。设计开发板的目的是为了提高学生的动手能力及编程、调试能力；通过设计完整的无线通信系统项目，让学生更好地理解课堂中的理论与实际工程应用的关系。设计的多功能开发板功能框图如图1所示。

1.2多功能开发板

设计的开发板硬件实物图如图2所示，具有以下功能：

（1）手机短信远程控制开发板LED灯亮灭；

（2）开发板可以接听电话；

（3）开发板将采集数据（如温湿度）发送至服务器、手机；

（4）基于nRF905的无线温度数据采集（任意两个开发板，其中一个开发板（受控）进行温度采集，并将数据通过nRF905传给另一个开发板（主控），温度数据在（主控）开发板上显示）；

（5）DS1302时钟数据的读取及其在LCD上显示（可通过无线进行控制）。

主要包括微控制器STC12C5A60S2芯片连接电路、SIM900A连接电路、nRF905连接电路、DS1302时钟芯片连接电路、矩阵按键连接电路、M74HC595B1R芯片连接电路、MAX232连接电路、LCD12864显示连接电路、电源电路等。下面选取其中的主要3种功能模块进行介绍。

1.2.1系统微控制器STC12C5A60S2

由于学生之前学过单片机相关理论及实验课，所以选取STC12C5A60S2芯片。它是宏晶科技生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8~12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换，这些特点保证了开发板可编制出高效率的程序。STC12C5A60S2硬件连接图如图3所示。

1.2.2SIM900A模块

SIM900A是SIMCom推出的新款紧凑型产品，它属于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式；SIM900A仅适用于中国市场，其性能稳定，外观精巧，性价比高；工作频率为GSM/GPRS850MHz/900MHz/1800MHz/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。利用SIM900A模块，本开发板可实现GPRS远程控制功能；同时，利用STC12C5A60S2双串口功能与电脑相连，实现远程服务器控制功能，如利用手机GPRS网络，将远程端的采集数据发到指定的服务器上。SIM900A硬件连接如图4所示。

1.2.3nRF905模块

nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9~3.6V，32引脚QFN封装（5&TImes;5mm），工作于433MHz/868MHz/915MHz三个ISM（工业、科学和医学）频道，频道之间的转换时间小于650μs。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，Shock?BurstTM工作模式，自动处理字头和CRC（循环冗余码校验），使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，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。nRF905硬件连接如图5所示。

1.2.4LCD12864模块

1.2.5矩阵按键模块

开发板矩阵按键电路如图7所示。

1.2.6LED灯接口电路

为了节约硬件资源，LED灯通过M74HC595芯片与微控制器相连，LED灯接口电路如图8所示。

系统软件设计方面主要包括SIM900模块利用AT指令进行短信收发和解析；nRF905无线模块收、发设计；LCD12864时钟显示等，下面结合两个通信模块的软件设计进行讲解。2.1SIM900软件模块及调试SIM900调试界面如图9所示，下面介绍SIM900利用AT指令进行短信收发和解析的主要模块定义及注释：

2.2nRF905软件收发设计

nRF905发送流程分以下几步：

（1）当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给nRF905，SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定；

（2）微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激发nRF905的ShockBurstTM发送模式；

（3）nRF905的ShockBurstTM发送；

（4）AUTO_RETRAN被置高，nRF905不断重发，直到TRX_CE被置低；

（5）当TRX_CE被置低，nRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。

nRF905的接收流程分为以下几步：

（1）当TRX_CE为高、TX_EN为低时，nRF905进入ShockBurstTM接收模式；

（2）650μs后，nRF905不断监测，等待接收数据；

（3）当nRF905检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高；

（4）当接收到一个相匹配的地址，地址匹配引脚被置高；

（5）当一个正确的数据包接收完毕，nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把数据准备好引脚置高；

（6）微控制器把TRX_CE置低，nRF905进入空闲模式；

（7）微控制器通过SPI口，以一定的速率把数据移到微控制器内；

（8）当所有的数据接收完毕，nRF905把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低；

（9）nRF905此时可以进入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM发送模式或关机模式。

为了让通信专业的学生更好地掌握无线通信技术的应用，本文设计的多功能开发板具有实际工程应用的价值，通过结合具体的项目开发流程，既提高了学生的C语言编程能力，又锻炼了他们的工程项目素养，为毕业后从事相关技术研发工作打下坚实的基础。