基于51單片機(jī)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)、通信和無(wú)線技術(shù)的逐步融合，在傳統(tǒng)的有線通信的基礎(chǔ)上，無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，他具有快捷、方便、可移動(dòng)和安全等優(yōu)勢(shì)，所以廣泛應(yīng)用到遙控玩具、汽車(chē)電子、環(huán)境監(jiān)測(cè)和電氣自動(dòng)化等。

在一些特殊應(yīng)用場(chǎng)合中，單片機(jī)與上位機(jī)之間通信不再采用有線的數(shù)據(jù)傳輸，例如采用有線的串、并行總線、I2C和CAN總線等，而是需要無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，本文介紹了基于nRF905無(wú)線收發(fā)模塊的實(shí)用單片機(jī)無(wú)線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 無(wú)線收發(fā)模塊nRF905

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9～3.6 V，32引腳QFN封裝(5×5 mm)，工作于433／868／915 MHz三個(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650μs。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表濾波器，ShockBurstTM工作模式，自動(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5 mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無(wú)線數(shù)據(jù)通信、無(wú)線報(bào)警及安全系統(tǒng)、無(wú)線開(kāi)鎖、無(wú)線監(jiān)測(cè)、家庭自動(dòng)化和玩具等諸多領(lǐng)域。

3 芯片結(jié)構(gòu)及工作模式

nRF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器、功率放大器等模塊，曼徹斯特編碼／解碼由片內(nèi)硬件完成，無(wú)需用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。

nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE，TX_EN和PWR_UP三個(gè)引腳決定，詳見(jiàn)表1。

與射頻數(shù)據(jù)包有關(guān)的高速信號(hào)處理都在nRF905片內(nèi)進(jìn)行，數(shù)據(jù)速率由微控制器配置的SPI接口決定，數(shù)據(jù)在微控制器中低速處理，但在nRF905中高速發(fā)送，因此中間有很長(zhǎng)時(shí)間的空閑，有利于節(jié)能。由于nRF905工作于ShockBurstTM模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。在ShockBurstTM接收模式下，當(dāng)一個(gè)包含正確地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包被接收到后，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好(DR)兩引腳通知微控制器。在ShockBurstTM發(fā)送模式，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生字頭和CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過(guò)程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。由以上分析可知，nRF905的ShockBurstTM收發(fā)模式有利于節(jié)約存儲(chǔ)器和微控制器資源，同時(shí)也減小了編寫(xiě)程序的時(shí)間?！　?/p>

4 器件配置

所有配置字都是通過(guò)SPI接口送給nRF905，SIP接口的工作方式可通過(guò)SPI指令進(jìn)行設(shè)置，當(dāng)nRF905處于空閑模式或關(guān)機(jī)模式時(shí)，SPI接口可以保持在工作狀態(tài)。

(1)SPI接口配置

SPI接口由狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器5個(gè)寄存器組成。

(2)射頻配置

設(shè)CH_NO中的值為a，HFREQ_PLL中的值為b，則nRF905的工作頻率由公式：

所決定。若nRF905的工作頻率取433.20 MHz，則口a=108，b=0。

射頻寄存器的各位的長(zhǎng)度是固定的。然而，在Shock-BurstTM收發(fā)過(guò)程中，TX_PAYLOAD，RX_PAYLOAD，TX_ADDRESS和RX_ADDRESS 4個(gè)寄存器使用字節(jié)數(shù)由配置字決定。nRF905進(jìn)入關(guān)機(jī)模式或空閑模式時(shí)，寄存器中的內(nèi)容保持不變。

5 電路設(shè)計(jì)

nRF905在使用中，根據(jù)不同需要，其電路圖不盡相同，圖1所示為其應(yīng)用原理圖，該電路天線部分使用的是50 Ω單端天線。在nRF905的電路板設(shè)計(jì)中，也可以使用環(huán)形天線，把天線布在PCB板上，這可減小系統(tǒng)的體積。更詳細(xì)的設(shè)計(jì)可參考nRF905的芯片手冊(cè)。

nRF905通過(guò)SPI接口和微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，通過(guò)ShockBurstTM收發(fā)模式進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送，收發(fā)可靠，使用方便，在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等各個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。

對(duì)于射頻芯片nRF905的寄存器操作是個(gè)很關(guān)鍵的問(wèn)題。由于采用了SPI協(xié)議，在配置寄存器過(guò)程應(yīng)用指令及Pl中模擬時(shí)鐘上升沿時(shí)，很容易出現(xiàn)移錯(cuò)位及時(shí)鐘上升沿?zé)o效的情況。SPI接口有4個(gè)信號(hào)線：MOSI，MISO，SCK，CSN，分別為輸入線、輸出線、時(shí)鐘線、配置使能線。SPI的通信時(shí)序如圖4所示。

8 系統(tǒng)的參數(shù)測(cè)量

無(wú)線通信在自由空間中傳播距離的計(jì)算方法：所謂自由空間傳播系指天線周?chē)鸀闊o(wú)限大真空時(shí)的電波傳播，他是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí)，其能量既不會(huì)被障礙物所吸收，也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射。

通信距離與發(fā)射功率、接收靈敏度和工作頻率有關(guān)：

式中Lfs(單位：dB)為傳輸損耗，d(單位：km)為傳輸距離，頻率f的單位以MHz計(jì)算。由上式可見(jiàn)，自由空間中電波傳播損耗(亦稱衰減)只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)，當(dāng)f或d增大一倍時(shí)，[Lfs]將分別增加6 dB。

下面的公式說(shuō)明在自由空間下電波傳播的損耗：

Los是傳播損耗，單位為dB；d是距離，單位是km；f是工作頻率，單位是MHz。

本系統(tǒng)的無(wú)線收發(fā)模塊nRF905選擇工作在第一頻道為433.2 MHz，發(fā)射功率為+10 dBm(10 mW)，接收靈敏度為-105 dBm的系統(tǒng)在自由空間的傳播距離：

(1)由發(fā)射功率+10 dBm，接收靈敏度為-105 dBm：
　　Los=115 dB

(2)由Los，f計(jì)算得出：
　　d=31 km

這是理想狀況下的傳輸距離，實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)低于該值，這是因?yàn)闊o(wú)線通信要受到各種外界因素的影響，如大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗，將上述損耗的參考值計(jì)入上式中，即可計(jì)算出近似通信距離。

假定大氣、遮擋等造成的損耗為25 dB，可以計(jì)算得出通信距離為：
　　d=1.7 km=1 700 m

9 影響無(wú)線通信距離的主要因素

圖6是一個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的信道模型，在工作頻率固定的前提下，影響工作距離的主要因素包括發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、傳播損耗、接收天線增益、接收機(jī)靈敏度等，通過(guò)加大發(fā)射功率，提高天線增益，提高接收機(jī)靈敏度均起到提高通信距離的作用，在影響無(wú)線通信距離的以上幾個(gè)因素中，作為設(shè)計(jì)者可以控制的因素有：接收靈敏度、RX一天線增益、發(fā)射輸出功率。不能控制的因素是由無(wú)線電波的特點(diǎn)所決定的，主要有：傳輸損耗、路徑損耗、多徑損耗、周?chē)h(huán)境的吸收。

在設(shè)計(jì)者可以控制的因素中，接收靈敏度、天線增益、發(fā)射功率都是可以作為提高通信距離的手段。

無(wú)線傳輸系統(tǒng)具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)安全可靠、無(wú)需布線、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)在各領(lǐng)域中帶來(lái)廣泛的市場(chǎng)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但這并沒(méi)有影響系統(tǒng)的性能和用途。他可應(yīng)用到遙控、遙測(cè)、汽車(chē)電子、安全防火、生物信號(hào)采集、環(huán)境監(jiān)測(cè)和電氣自動(dòng)化等領(lǐng)域。