摘 要：隨著科學(xué)技術(shù)突飛的發(fā)展，無線化已經(jīng)成為電子技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。簡(jiǎn)要介紹了無線通信基礎(chǔ)知識(shí)，接著對(duì)組成系統(tǒng)的每個(gè)功能模塊進(jìn)行拆分設(shè)計(jì)，并對(duì)射頻芯片nRF905的結(jié)構(gòu)和工作原理作了簡(jiǎn)要的介紹，開發(fā)了硬件電路、外圍工藝和數(shù)據(jù)無線收發(fā)程序。最后對(duì)數(shù)據(jù)無線傳輸距離進(jìn)行理論計(jì)算和分析。

關(guān)鍵詞：無線傳輸;nRF905;單片機(jī)

中圖分類號(hào)：TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004373X(2008)0504003

Design of Wireless Data Transport System of a Single Chip Microcomputer

CHENChan，CHEN Kezhong

(NanningBranch，China Tietong Telecommunications Co.Ltd.，Nanning，530001，China)

Abstract：Along with the development of science，the wireless technique has already been an important development derection of electronics technique.This design introducesfoundation knowledge of the wireless didital design which constitutes each piece of function of the system，and introduces the structure and the work principles of the main component of the radio frequency chip nRF905.The development includes the hardware electric circuit，the outer circle craft and the procedure of the data wireless to receive and dispatch.Finally carrying on the theories calculation and analysis on the diagraph.

Keywords：wireless transport;nRF905;single chip microcomputer

1 引 言

隨著計(jì)算機(jī)、通信和無線技術(shù)的逐步融合，在傳統(tǒng)的有線通信的基礎(chǔ)上，無線通信技術(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、I2C和CAN總線等，而是需要無線數(shù)據(jù)傳輸，本文介紹了基于nRF905無線收發(fā)模塊的實(shí)用單片機(jī)無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 無線收發(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650 μs。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適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報(bào)警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(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[CD#*2]CE，TX[CD#*2]EN和PWR[CD#*2]UP三個(gè)引腳決定，詳見表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)也減小了編寫程序的時(shí)間。

4 器件配置

所有配置字都是通過SPI接口送給nRF905，SIP接口的工作方式可通過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[CD#*2]NO中的值為a，HFREQ[CD#*2]PLL中的值為b，則nRF905的工作頻率由公式:

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SPI接口和微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，通過ShockBurstTM 收發(fā)模式進(jìn)行無線數(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。

6 程序流程

系統(tǒng)采用了一種應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)AT89S52為數(shù)據(jù)處理部分。具體的讀、發(fā)程序流程如圖2，圖3所示。

7 配置程序

對(duì)于射頻芯片nRF905的寄存器操作是個(gè)很關(guān)鍵的問題。由于采用了SPI協(xié)議，在配置寄存器過程應(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圍為無限大真空時(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):

os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:

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 影響無線通信距離的主要因素

圖6是一個(gè)無線通信系統(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、周圍環(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、無需布線、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)在各領(lǐng)域中帶來廣泛的市場(chǎng)。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但這并沒有影響系統(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。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文?！?/p>