一种USB转LORA无线串口数据传输收发器

技术领域

本发明涉及无线串口数据通讯产品的技术领域，具体是USB转LORA无线串口数据传输收发器的技术。

背景技术

目前LORA无线串口数据通讯产品中主要是以DB9接口和拔插式接线端子的方式应用到产品上，这种方式在大部份的设备应用是可以使用的，但是使用中过于麻烦和需要多加其它配件才能实现设备无线通讯，例如：市场某款RS232转LORA无线串口数传收发器在与现场电脑设备相连接时，还需要再加一条公对母RS232数据线，才能使用，这样不仅使客户操作很麻烦，更重要的是客户的成本变高，同时也造成了材料资源的浪费。

发明内容

本发明目的是提供一种USB转LORA无线串口数据传输收发器，应用在串口数据通讯场景，具有双向收发功能，使用方便并且减少资金成本和材料资源。

本发明的目的通过以下技术方案来实现。

一种USB转LORA无线串口数据传输收发器，其特征在于所述USB转LORA无线串口数据传输收发器包括USB接口J3、USB转串口芯片U4、单片机数据处理芯片U3、射频数据发射与接收芯片U2、场效应管Q1、射频开关芯片U1、射频天线座J1。

USB接口J3与USB转串口芯片U4之间串口通信连接，所述USB接口J3接口插入到电脑后，电脑识别到USB转串口芯片U4并在电脑上产生一个新的端口号出来，通过打开上位机件选择该端口号后进行数据发送给USB转串口芯片U4；USB转串口芯片U4与单片机数据处理芯片U3之间串口通信连接，USB转串口芯片U4经引脚“RXD”进行串口“接收”数据信号，负责接收单片机数据处理芯片U3串口发过来的串口数据并通过USB信号传给电脑，USB转串口芯片U4经引脚“TXD”进行串口“发送”数据信号，负责发送串口数据给单片机数据处理芯片U3实现数据发送输出；单片机数据处理芯片U3与射频数据发射与接收芯片U2之间电路连接，单片机数据处理芯片U3收到USB转串口芯片U4发过来的串口数据进行打包并加密处理后把数据包通过单片机数据处理芯片U3中的SPI信号传出给射频数据发射与接收芯片U2进行数据分包发送；射频数据发射与接收芯片U2的VR-PA引脚与射频开关芯片U1的RF2引脚进行电路连接，射频数据发射与接收芯片U2的RFI-LF引脚与射频开关芯片U1的RF1引脚进行电路连接，射频数据发射与接收芯片U2的RX/TX/RFMOD引脚与场效应管Q1的栅极G引脚进行电路连接，场效应管Q1的漏极D引脚与射频开关芯片U1的VC2引脚进行电路连接，场效应管Q1的源极S引脚接地，射频开关芯片U1的RFC引脚与射频天线座J1的ANT引脚进行电路连接，所述射频数据发射与接收芯片U2收到单片机数据处理芯片U3发过来的加密数据包后将数据通过VR-PA传出给射频开关芯片U1，并同时将RX/TX/RFMOD数据流向控制引脚拉高输出高电平到场效应管Q1，场效应管Q1被RX/TX/RFMOD数据流向控制引脚拉高输出高电平过来使场效应管Q1第三引脚漏极D输出高电平到射频开关芯片U1，射频开关芯片U1收到场效应管Q1第三引脚漏极D输出高电平过来到VC2引脚使开关打开为发送状态，所述射频天线座J1收到串口数据后将数据传给射频开关芯片U1，射频开关芯片U1收到串口数据后经过RF1引脚将串口数据传给射频数据发射与接收芯片U2，场效应管Q1此时其第三引脚漏极D输出低电平过来到VC2引脚使开关关闭处于接收状态，射频数据发射与接收芯片U2收到射频开关芯片U1传回来的串口数据后进行分包处理并将串口数据通过SPI信号传给单片机数据处理芯片U3。

USB转串口芯片U4的电源输出为单片机数据处理芯片U3和射频数据发射与接收芯片U2供电DC3.3V。

单片机数据处理芯片U3经第8引脚“PD0”即IO功能引脚连接到按键“轻触开关”的信号输入引脚1引脚，在单片机数据处理芯片U3引脚“PD0”外部加有上拉电阻把此引脚处于高电平状态，当按下轻触开关时，第8引脚“PD0”直接与GND短接后此时电平为低电平，且持续5秒钟为低电平时将进入配制模式，通过上位机软件对单片机数据处理芯片U3进行通讯参数的设置。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明是一款多功能LORA无线数传收发器，采用LORA扩频调制方式传输，高性能、高可靠，高稳定以及低功耗的无线数据传输方式，对小数据远距离的工业串口通讯中具有广泛使用性能，对覆盖面积和功耗均表现优秀，在物联网的应用场景也越来越广泛，本发明同时可以实现一对一，一对多，或多对多等方式进行数据传输，无需区分发射端和接收端。

本发明为现场无法安装布线等复杂环境提供高性能和低成本的方案。是一种远距离无线通讯方案，最突出的特点就是长距离和低功功耗，突破以前需要拉接布线才能解决的覆盖场景，本产品默认采用无线433MHz频段进行无线数据传输，支持的无线频段范围在410MHz-441MHz，传输距离达到3公里，LORA和GPRS、4G方案相比它无需入网月租费(免申请频段)，和WIFI、ZIGBEE相比距离更远。

本发明应用在串口数据通讯场景及用途如下：

①无线抄表，比如：智能电表、智能水表、智能气表、热表等；

②变化物理量(温湿度、水压、PM2.5等传感器)；

③无线报警器(烟雾探测器、热释红外)；

④远程I/O控制器(灯光控制、空调控制)；

⑤工业应用工控机床、工业自动化仪器、远距离灌溉设备、门禁、保安控制系统、高速公路地磅数据传输、商业收银机等设备连接。

附图说明

图1为本发明USB转LORA无线串口数据传输收发器的串口数据发射原理方框图；

图2为本发明USB转LORA无线串口数据传输收发器的串口数据接收原理方框图；

图3为为本发明USB转LORA无线串口数据传输收发器的串口数据电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

如图1、图2、图3，本发明USB转LORA无线串口数据传输收发器，包括USB接口J3、USB转串口芯片U4、单片机数据处理芯片U3、射频数据发射与接收芯片U2、场效应管Q1、射频开关芯片U1、射频天线座J1。

USB接口J3与USB转串口芯片U4之间串口通信连接实现数据传输，具体而言，USB接口J3接口插入到电脑后，电脑识别到USB转串口芯片U4并在电脑上产生一个新的端口号出来，通过打开上位机件选择该端口号后进行数据发送给USB转串口芯片U4；USB转串口芯片U4与单片机数据处理芯片U3之间串口通信连接，USB转串口芯片U4经引脚“RXD”进行串口接收数据信号，负责接收单片机数据处理芯片U3串口发过来的串口数据并通过USB信号传给电脑，USB转串口芯片U4经引脚“TXD”进行串口发送数据信号，负责发送串口数据给单片机数据处理芯片U3实现数据发送输出，即实现USB转串口芯片U4与单片机数据处理芯片U3之间的数据传输；单片机数据处理芯片U3与射频数据发射与接收芯片U2之间电路连接，两者之间进行数据传输，具体而言，单片机数据处理芯片U3收到USB转串口芯片U4发过来的串口数据进行打包并加密处理后把数据包通过单片机数据处理芯片U3中的SPI信号传出给射频数据发射与接收芯片U2进行数据分包发送；射频数据发射与接收芯片U2的VR-PA引脚与射频开关芯片U1的RF2引脚进行电路连接，射频数据发射与接收芯片U2的RFI-LF引脚与射频开关芯片U1的RF1引脚进行电路连接，射频数据发射与接收芯片U2的RX/TX/RFMOD引脚与场效应管Q1的栅极G引脚进行电路连接，场效应管Q1的漏极D引脚与射频开关芯片U1的VC2引脚进行电路连接，场效应管Q1的源极S引脚接地，射频开关芯片U1的RFC引脚与射频天线座J1的ANT引脚进行电路连接，所述射频数据发射与接收芯片U2收到单片机数据处理芯片U3发过来的加密数据包后将数据通过VR-PA传出给射频开关芯片U1，并同时将RX/TX/RFMOD数据流向控制引脚拉高输出高电平到场效应管Q1，场效应管Q1被RX/TX/RFMOD数据流向控制引脚拉高输出高电平过来使场效应管Q1第三引脚漏极D输出高电平到射频开关芯片U1，射频开关芯片U1收到场效应管Q1第三引脚漏极D输出高电平过来到VC2引脚使开关打开为发送状态，所述射频天线座J1收到串口数据后将数据传给射频开关芯片U1，射频开关芯片U1收到串口数据后经过RF1引脚将串口数据传给射频数据发射与接收芯片U2，场效应管Q1此时其第三引脚漏极D输出低电平过来到VC2引脚使开关关闭处于接收状态，射频数据发射与接收芯片U2收到射频开关芯片U1传回来的串口数据后进行分包处理并将串口数据通过SPI信号传给单片机数据处理芯片U3。

USB转串口芯片U4的电源输出为单片机数据处理芯片U3和射频数据发射与接收芯片U2供电DC3.3V。单片机数据处理芯片U3经第8引脚“PD0”即IO功能引脚连接到按键“轻触开关”的信号输入引脚1引脚，在单片机数据处理芯片U3引脚“PD0”外部加有上拉电阻把此引脚处于高电平状态，当按下轻触开关时，第8引脚“PD0”直接与GND短接后此时电平为低电平，且持续5秒钟为低电平时将进入配制模式，通过上位机软件对单片机数据处理芯片U3进行通讯参数的设置。GND即接地之意。

在本发明中，各芯片功能介绍如下：

单片机数据处理芯片U3，其型号STM8L151G6U6：发送状态时收到USB转串芯片CP2102N发过来的串口数据进行打包并加密处理后把数据包通过芯片中的的SPI信号传出给射频数据发射与接收芯片SX1278进行数据分包发送；接收状态时，收到射频数据发射与接收芯片SX1278传回来的串口数据进行解密处理后将标准的串口数据传到USB转串芯片CP2102N。如图3的电路中，U3芯片STM8L151G6U6中的第8引脚“PD0”是单片机的IO功能引脚连接到按键“轻触开关”的1引脚，这个单片机引脚外部加了上拉电阻把此引脚处于高电平状态，当按下轻触开关时单片机的第8引脚直接与GND短接后此时电平为低电平，单片机系统检测到此引脚电平持续5秒钟为低电平时将进入配制模式可以通过上位机软件对单片机进行通讯参数的设置。U3芯片STM8L151G6U6中的第：16引脚：NSS(CS)是SPI信号“主/从选择”功能控制引脚；17引脚：SCLK是SPI信号“时钟”功能控制引脚；18引脚：MOSI是SPI信号“主输出”功能控制引脚；19引脚：MISO是SPI信号“主输入”功能控制引脚；20引脚：NRESET(RF)是信号“重置”功能控制引脚；21引脚：DIO0是信号“发射中断映射”功能控制引脚。

射频数据发射与接收芯片U2，其型号为SW408：发送状态时收到单片机数据处理芯片U3发过来的加密数据包后将数据通过VR-PA传出给“射频开关芯片SW408”并同时将RX/TX/RFMOD数据流向控制引脚拉高输出高电平到“场效应管2N7002”；接收状态时，收到射频开关芯片SW408传回来的串口数据后进行分包处理并将串口数据通过SPI信号传给STM8L151G6U6单片机。如图3电路中，U2芯片SX1278中的第5、6引脚分别连接到“Y1”晶振32MHz的1和3脚并各加上一个15pF的协振电容使SX1278芯片提稳定的工作时钟。U2芯片SX1278中的第25、27引脚：第27引脚：PA-BOOSTO为大功率PA输出通过“L3、C19、C18、L4、C20、C13、L5、C21、L6、C14、C22”进行稳定频率输出信号；第25引脚：VR-PA通过“C24、C25、L7”为PA电路提供稳定电源。如图3电路中，U2芯片SX1278中的第1引脚通过“L2、C2、C5、C3”进行信号滤波接收芯片U1射频开关芯片SW408发过来的信号；U2芯片SX1278中的第20引脚“RXTX/RF_MOD”电路中有一个信号直与芯片U1射频开关芯片SW408的第6脚连接，另一个信号通过一个场效应管Q1“2N7002”与芯片U1“射频开关芯片SW408”的第4脚连接，这部份电路利用了Q1的三极管的开关特点来实现高低电平切换，当单片机U3芯片STM8L151G6U6向U2芯片SX1278发送数据信号输出时U2芯片SX1278的第20引脚“RXTX/RF_MOD”输出高电平使场效应管Q1“2N7002”导通使芯片U1“射频开关芯片SW408”的第4脚为高电平，此时发送的数据通芯片U1“射频开关芯片SW408”的第3脚RF2往第5脚RFC发送出去。

射频开关芯片U1，型号SW408：发送状态时收到场效应管2N7002第三引脚D输出高电平过来到VC2引脚使开关打开为发送状态，此时经过RFC引脚将串口数据传输到射频天线座J1；接收状态时，射频开关芯片SW408收到串口数据后经过RF1引脚将串口数据传给射频数据发射与接收芯片SX1278。

USB转串芯片CP2102N：发送状态时收到电脑发过来的串口数据后通过TTL串口信号将数据发送给STM8L151G6U6单片机数据处理芯片；接收状态时，收到STM8L151G6U6单片机通过TTL串口传过来串口数据通过USB信号传到接收端电脑软件上；USB转串口芯片CP2102NU4的电源输出提供给单片机数据处理芯片和射频数据发射与接收芯片，供电DC3.3V。

USB转串芯片CP2102N重要引脚功能如下：如图3电路中U4芯片CP2102N中的第25引脚“RXD”是串口“接收”数据信号，负责接收单片机串口发过来的串口数据并通USB信号传给电脑。U4芯片CP2102N中的第26引脚“TXD”是串口“发送”数据信号，负责发送串口数据给单片机实现数据发送输出。

射频天线座J1：发送状态时，串口数据传到天线上实现无线数据传输；接收状态时，收到串口数据后将数据传给射频开关芯片SW408。

场效应管Q1：第三引脚D输出高电平过来到射频开关芯片SW408的VC2引脚使开关打开为发送状态，当单片机U3芯片STM8L151G6U6向U2芯片SX1278发送数据信号输出时U2芯片SX1278的第20引脚“RXTX/RF_MOD”输出高电平使场效应管Q1导通使射频开关芯片SW408的第4脚为高电平，此时发送的数据通过射频开关芯片SW408的第3脚RF2往第5脚RFC发送出去；第三引脚D输出低电平过来到射频开关芯片SW408的VC2引脚使开关关闭处于接收状态。

本发明是一款双向收发功能的产品，它既可以做发射端也可以做接收端并且支持一对多的通讯方式，现场使用时只要购买两个本产品组合使用就可以了，即用一个做“发射端”另一个做接收端。

以下是原理进一步说明：

1、通过USB接口J3接口插入到“电脑”后电脑会识别到USB串口芯片并在电脑上产生一个新的端口号出来，通过打开上位机件选择该端口号后进行数据发送给“USB转串口芯片CP2102N”。

2、USB转串芯片CP2102N收到电脑发过来的串口数据后通过TTL串口信号将数据发送给“STM8L151G6U6单片机数据处理芯片”。

3、通过CP2102N芯片U4的电源输出提供给STM8L151G6U6单片机数据处理芯片和射频数据发射与接收SX1278芯片供电DC3.3V。

4、STM8L151G6U6单片机数据处理芯片收到串芯片CP2102N发过来的串口数据进行打包并加密处理后把数据包通过芯片中的的SPI信号传出给“射频数据发射与接收芯片SX1278”进行数据分包发送。

5、射频数据发射与接收芯片SX1278收到“STM8L151G6U6单片机”发过来的加密数据包后将数据通过VR-PA传出给射频开关芯片SW408并同时将RX/TX/RFMOD数据流向控制引脚拉高输出高电平到场效应管2N7002。

6、场效应管2N7002被RX/TX/RFMOD数据流向控制引脚拉高输出高电平过来使场效应管2N7002第三引脚D输出高电平到射频开关芯片SW408。

7、射频开关芯片U1收到场效应管2N7002第三引脚D输出高电平过来到VC2引脚使开关打开为发送状态。

8、射频天线座J1串口数据经过RFC引脚传到天线上实现无线数据传输。

9、射频天线座J1收到串口数据后将数据传给射频开关芯片SW408。

10、射频开关芯片U1收到串口数据后经过RF1引脚将串口数据传给射频数据发射与接收芯片SX1278。

11、此时场效应管2N7002第三引脚D输出低电平过来到VC2引脚使开关关闭处于接收状态。

12、射频数据发射与接收芯片U2收到射频开关芯片SW408传回来的串口数据后进行分包处理并将串口数据通过SPI信号传给STM8L151G6U6单片机。

13、单片机数据处理芯片U3收到射频数据发射与接收芯片SX1278传回来的串口数据进行解密处理后将标准的串口数据传到USB转串芯片CP2102N。

14、通过CP2102N芯片U4的电源输出提供给STM8L151G6U6单片机数据处理芯片和射频数据发射与接收SX1278芯片供电DC3.3V。

15、USB转串口芯片U4收到STM8L151G6U6单片机通过TTL串口传过来串口数据通过USB信号传到接收端电脑软件上。

16、通过把产品的USB接口J3接口插入到“电脑”后电脑会识别到USB串口芯片并在电脑上产生一个新的端口号出来与USB转串芯片CP2102N连接通讯。

上述文中USB转串芯片CP2102N、CP2102N芯片U4均是指USB转串口芯片U4；射频数据发射与接收芯片SX1278、U2芯片SX1278、SX1278芯片均是指射频数据发射与接收芯片U2；STM8L151G6U6单片机、U3芯片STM8L151G6U6均是指单片机数据处理芯片U3；射频开关芯片SW408、芯片U1射频开关芯片SW408均是指射频开关芯片U1；场效应管2N7002是指场效应管Q1。

以上产品实施例是本发明较优选具体实施方式的一种，本领域技术人员在本技术方案范围内进行通常变化和替换应包含在本发明的保护范围之内。