具有波特率自適應功能的無線數據傳輸模塊設計

　　1 模塊總體結構

　　基于nRF401無線數據傳輸器件的數傳模塊總體硬件結構如圖1所示，主要由微控制器和藍牙芯片及其相應的外圍電路組成，能自動完成波特率識別，并進行數據的編碼處理，給用戶提供了一個透明的數據接口。微控制器選用Atmel公司推出的可在線編程的單片機AT89S51，便于以后軟件的升級。通過對發(fā)送數據是否需要曼徹斯特編碼、所需外圍元件的數量、功耗及發(fā)射功率等方面的因素綜合比較,選用nRF40l作為無線數傳器件。

　　nRF401是單片無線收發(fā)器件，采用藍牙核心技術設計，內部集成高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調制、FSK解調、多頻道切換等諸多功能和外圍部件協議，是目前集成度最高的無線數傳產品，也是唯一可以直接連接微控制器串口進行異步數據傳輸且無需曼徹斯特編碼的無線收發(fā)器。nRF401發(fā)射功率最大為10 mW，工作電壓為2.7 V～5 V，發(fā)射電流為8 mA～30 mA，接收電流約10 mA，待機電流為8 μA，靈敏度為-105 dBm,采用20引腳8 mmx7 mm的SOIC封裝。所需外部元件很少，僅外接一個晶體和幾只阻容、電感元件，無需調試，傳輸速率最高達19.2 kb/s，工作頻段為433/434 MHz，有兩個信道，調制方式為FSK。

　　nRF401有5個端口與微控制器相關：DIN和DOUT用于異步串行通信，DIN的數據方向為微控制器到nRF40l，DOUT相反;CS選擇工作頻段，CS=0時頻段為433.92 MHz，CS=1時為434.33 MHz，在該模塊中將CS引腳引出，方便用戶控制，在一個頻段無法工作時，可以設置為另一個工作頻段,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力;PWR_UP用于節(jié)電控制。PWR_UP=0時為掉電(節(jié)電)模式，PWR_UP=1時為上電(工作)模式，在該模塊中同樣將其引出,在不需要無線發(fā)射和接收時，用戶可將器件設置為節(jié)電模式以降低系統(tǒng)的功耗;TXEN選擇發(fā)射或接收狀態(tài)，TXEN=0時為接收，TXEN=1時為發(fā)送。

　　PCB布局和電源去耦設計對于RF射頻電路獲得較好的性能是必要的，電路板采用1.6mm厚FR4板材的兩層PCB，底層覆銅面,并在元件層空白區(qū)覆銅，多打通孔連接上下層，銅面與地線相連,天線下底層不覆銅，VSS直接與銅層連接,并保證關鍵元件充分接地。所有開關數字信號和控制信號都不能經過PLL環(huán)路濾波器元件和VCO電感附近。直流供電在離VDD引腳盡可能近的地方用高性能的電容去耦，去耦使用一只小電容(0.01μF)和一只大電容(2.2μF)并聯，避免較長的電源走線。

　　2 硬件設計及軟件實現

　　2.1 微控制器與nRF401接口設計

　　圖2為微控制器ATr89S51與nRF401的接口電

　　路，nRF401只需10個左右的元件即可實現數據收發(fā)，應用極其方便。其PSEN為數據收發(fā)選擇端，當設定為發(fā)送模塊時，PSEN接為高電平，同時,DIN引腳與微控制器的TX端相連，微控制器的RXD端作為預留接口與外部主控單片機的TXD相連：若設計為接收模塊，則PSEN接低電平，同時，DOUT引腳與微控制器的RX端相連，RXD引腳與外部微控制器的TXD引腳相連。模塊與外部單片機的通訊波特率為自動檢測方式，受nRF401通訊速率的限制。該模塊可以工作在1 200 b/s～19.2 kb/s之間。模塊上預留ICSP接口，可以系統(tǒng)在線編程。方便程序升級。還同時具有良好的防竊密功能，不易破解。

　　2.2 串口模擬及波特率自適應的實現

　　對于模塊上的片上主控單片機AT89S51而言，既要控制nRF401完成與外界的數據交換。同時自身又必須受控于模塊外部的主控單片機,因此。AT89S51必須能同時與nRF401及片外主控單片機通訊，但AT89S51只有一個UART，無法滿足要求,為解決這一矛盾，通常的方法是擴展一片8251或8250通用同步/異步接收發(fā)器(USART)，但需額外占用單片機I/O資源，增加了系統(tǒng)的成本,同時也增大了PCB板的布局面積。本系統(tǒng)則采用單片機普通I/O口模擬串行口，利用該方法還可擴展多個外部串行端口，實現多機通信。

　　利用普通I/O口模擬串口,必須首先確定串口的通信速率即波特率，在本系統(tǒng)中，該模塊設計是波特率為1 200 b/s～19.2 kb/s自適應式的通信模塊，使自身的波特率隨主控單元的 調整而自動調整，系統(tǒng)適應性更強,更具智能化，因此首先必須解決好波特率自動檢測與識別的問題。

　　2.2.1 波特率自動檢測識別的實現

　　常用的波特率自動檢測方法主要有兩種：

　　(1)標準波特率窮舉法。

　　標準法特率窮舉法適用于主機側的波特率必須在有限的幾個固定數值之間變化。如300b/s～9.6 kb/s之間的標準值;且從機側的工作振蕩頻率已知且穩(wěn)定。從機啟動通信程序后，逐個嘗試以不同的波特率接收主機發(fā)出的特定字符，直到能正確接收為止。因此，該方法的運用具有一定的局限性。

　　(2) 碼元寬度實時檢測法。

　　該方法是先通過單片機的定時器測量RX引腳上輸人數據的碼元寬度，即機器周期的計數值，之后用軟件計算出波特率發(fā)生寄存器的值。該方法由于適用范圍廣、操作靈活，因而應用較為普遍。

　　本系統(tǒng)首先用碼元寬度實時檢測法確定主機的波特率，之后從機自身進行相應設置。就理論而言，只要能夠測出一個碼元的寬度就能確定數據傳輸的波特率，但在實際測量過程中，為保證測量的準確性，通常采取測量連續(xù)8個碼元寬度的方法。這里采用了較為常用的異步串行通信數據格式，即1個起始位、8個數據位、無校驗、1個停止位。發(fā)送時低位數據在前，高位在后，因此連續(xù)8個碼元寬度的時間可以通過在主機側發(fā)0x80H的方式實現，其波形如圖3所示。起始位加7個碼元寬度的低電平，恰好構成8個脈寬的低電平。單片機采用串口中斷的方式接收數據，當有數據到達時，打開定時器,同時不斷查詢接收引腳的狀態(tài)，當RXD變?yōu)楦唠娖胶笸Ｖ褂嫈?，這樣單片機就可以測量出低電平持續(xù)的寬度。

　　設主機側的波特率為BPS，其值未知，則此時連續(xù)8個碼元的寬度計算公式為：

　　設模塊內AT89S51單片機的工作頻率為fosc,用定時器1方式2常數自動裝入方式產生波特率，串行口工作在方式1，此時串口的波特率由定時器T1的溢出率和SMOD位同時決定。即：

　　當T1用作波特率發(fā)生器時，TL1用作計數器，而自動重裝的值放在TH1內，設初始值為X，則每"256-X"個機器周期，定時器T1就會產生一次溢出。為了避免因溢出而產生不必要的中斷，此時禁止T1中斷。AT89S51內部機器周期為振蕩周期的12分頻,因此，定時器T1的溢出周期為：

　　將式(3)代入式(2)得出此時的波特率為：

　　設此時模塊的波特率與主機側的波特率相等，即：

　　設AT89S51內部定時器T1測連續(xù)8個碼元計數值為M，由于是對其內部的機器周期計數，且機器周期是內部振蕩周期的12分頻，所以，總數為M的機器周期代表的實際時間是：

　　很明顯，式(6)與式(7)應相等，因此有如下公式成立：

　　由上式則可得出，單片機定時器T1初值在波特率自適應情況下的計算公式：

　　由式(9)可以看出，其初值不依賴于單片機的工作頻率，因此，只要單片機的工作頻率相對穩(wěn)定即可，對具體數值無要求。

　　另外，需要說明的是，對于串行異步通信而言，通信雙方的波特率不必嚴格相等，只要雙方的差別在一定的范圍之內，就可實現準確通信。

　　2.2.2 軟件模擬串口的實現

　　當波特率確定以后，即可用軟件模擬實現串行口。對單片機而言，要實現模擬串口的關鍵是必須解決好時序問題，不能造成通信過程中的數據丟失，為此，采用單片機的外部中斷0口的下降沿觸發(fā)功能,模擬串口數據接收線RXD，P1.2口模擬串口數據發(fā)送線TXD，定時器0以確定中斷方式對接收碼元采樣或發(fā)送數據流，實現一個軟件的串口。

　　對于軟件模擬串口而言，關鍵是必須解決好時序問題。本系統(tǒng)充分利用了nRF40l器件半雙工通信的特點，即數據發(fā)送和接收不同時進行，成功實現了一個軟件串行口。串行數據發(fā)送的實現相對較為簡單，只需利用定時器讓發(fā)送出去的碼元維持一定的時間寬度即可，實現異步串行接收的關鍵是起始位的檢測和信息位的準確提取。任何時候數據傳送都可能發(fā)生，故要求接收方必須能夠及時準確地接收數據，而通信過程中沒有同步信號，因此，串行數據的提取相對而言具有一定的難度。所以，文中采用AT89S51的外部中斷0口模擬RXD，并設置其中斷方式為邊沿觸發(fā)，平常保持為高電平，起始位為低電平，因此，當有數據到達時產生中斷，根據波特率設置的定時時間間隔進行數據采樣，即可實現串行數據的接收。

　　3 結束語

　　本文設計的無線數據傳輸模塊已成功運用于"磁柵式浮動檢測儀"項目中，經實踐檢驗，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有一定的工程實用價值。