摘 要:nRF905单片射频芯片采用ShockBurst工作模式,能够自动处理字头和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。本文在分析了nRF905的工作模式、器件配置和调制的基础上,提出了一种基于nRF905的无线数据收发方案,给出了具体的实现电路,并在分析了环形天线的理论基础之上给出了天线的具体设计方法,最后实现了该无线数据收发板与计算机之间进行串行通信。
关键词:nRF905无线通信串口通信
中图分类号:TP242.3文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)01(b)-0047-02
工业应用中,现阶段基本上都是以有线的方式进行连接,实现各种控制功能。有线网络速度快,数据流量大,可靠性强,对于基本固定的设备来说无疑是比较理想的选择。但随着射频技术、集成电路技术的发展,无线通信功能的实现越来越容易,数据传输速度也越来越快,并且逐渐达到可以和有线网络相媲美的水平[1]。而同时有线网络布线麻烦,线路故障难以检查,设备重新布局就要重新布线,且不能随意移动等缺点越发突出。于是人们把目光转向了无线通信方式,尤其是一些机动性要求较强的设备,或人们不方便随时到达现场的条件下。因此出现了一些典型的无线应用,如:无线智能家居,无线抄表,无线数据采集,无线设备管理和监控,汽车仪表数据的无线读取等等[2]。目前无线通信技术主要有红外技术,蓝牙技术,IEEE802.11无线通信技术,超宽带技术。
要实现无线数据的收发,关键是从外部输入的信号(本系统主要研究数字信号),在微控制单元MCU的控制下,经过调制及相关处理(如加入前导码和CRC),生成频段合适的射频信号经天线发射出去；当系统检测到地址、频率相匹配的射频信号时,能够正确接收并解调成相对应的原始信号[3]。另外,系统还要实现与计算机之间进行串行通信的功能。本文提出了一种基于nRF905单片射频芯片的无线数据收发方案。
1 AT89LV51控制电路的设计
本系统中从按键输入的信号,nRF905的工作,串行通信的实现以及发光二极管的显示都是在单片机的控制下完成的,该无线收发系统所使用的是AT89LV51单片机其连接方式如图1.1所示。
单片机89lv51的P0口用于按键的控制和LED的显示,通过相应的扫描处理程序定时对四个按键进行扫描,若没有按键按下时,89lv51从P0口读得的引脚电平为“1”；若某一按键被按下,则该键所对应的端口线电平变为地电平。若S1键被按下,则89lv51从P00口读得一个低电平,在扫描处理程序的控制下,89lv51把P04口置低,则相应的发光二极管D1点亮。
单片机的P2和P3口用以与nRF905电路进行连接,用来控制nRF905的工作。
2 nRF905电路的设计
nRF905是挪威Nordic VLSI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(5×5mm),工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道,频道之间的转换时间小于650us。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, ShockBurst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[4]。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,内设空闲模式与关机模式,易于实现节能。
由于收发器(nRF905模块)电路板与主单片机电路板之间通过SPI协议进行信号数据通讯,所以设计时主要利用单片机的P2、P3口和nRF905芯片进行各种控制信号的传输,具体定义如下:
sbitTX_EN=P2^6; //接收、发送模式的选择位
sbitTRX_CE=P2^5; //接收、发送模式的启动位
sbitPWR_UP=P2^4; //芯片电源控制位
sbitMISO=P2^3;//SPI数据输出位
sbitMOSI=P2^2;//SPI数据输入位
sbitSCK=P2^1;//SPI时钟输入位
sbitCSN=P2^0;//SPI启动位
sbitAM=P3^2;//地址匹配位
sbitDR=P3^3; //数据准备好位
sbitCD=P3^5; //载波检测位
输入的信号在单片机的控制下,通过SPI送入nRF905,在其内部完成曼彻斯特编码,高斯移频键控调制,并自动加上前导码和CRC,生成射频信号由环形天线发射出去。当nRF905检测到信号时,也会在单片机的控制下送入该电路,完成解调并显示出来。nRF905的连接方式。
3 环形天线的设计
ANT1和ANT2输出脚给天线提供稳定的RF输出,这两个脚通过天线双极的中心点有连接到VDD-PA的直流通路[5]。对于低能量、短距离的无线通信,最常用的天线是直接印制在电路板上的小调谐环形天线,小环形天线是指它的周长小于它波长的十分之一。
本工业级无线收发板系统中所使用的环形天线的a1=20mm,a2=35mm。使用的是RF-4双面板。上层板敷铜的厚度为b1=35mm,环形导线的宽度。天线的Q值的大小为Q=50,天线的谐振频率,发射机的输出功率为10dBm(10mW),接收机的灵敏度为-103dBm(0.05012PW)。则:
4 串行通信的实现
本系统中的串行通信所实现的功能通过无线数据收发板可以实现两台计算机之间的数据传输。具体操作如下:
(1)将两块开发板分别与两台计算机通过九芯串口电缆相连；
(2)在计算机上运行串口调试工具(如串口专家),用来发送、接收和显示无线数据,串口速率设置为19200,“8,N,1”。
(3)正确接上电源。
(4)按下其中一块开发板的按键,对应的LED灯将点亮,与此开发板相连的计算机上显示数据(\0E、\0D、\0B、\07)；此时另一块开发板接收到数据,对应的LED灯也将点亮,同时将接收到的键值数据通过串口发送到PC并在串口调试工具上实时显示(\0E、\0D、\0B、\07)。
(5)在其中任意一台计算机上输入数据(\0E、\0D、\0B、\07),并按发送,则与此计算机相连的开发板上相应的LED点亮；此时另一块开发板接收到数据,对应的LED灯也将点亮,同时将接收到的键值数据通过串口发送到PC并在串口调试工具上实时显示发送的数据。
在串口传输中,对于PC机上标准的RS－232接口,为了提高抗干扰能力,采用EIA电平逻辑,而单片机串口的输入输出电平均为TTL电平,所以为了实现双机通讯,首先必须解决逻辑电平的匹配问题,电平转换电路常见有以下几种:
(1)由MC1488构成发送驱动电路、1489构成接受电平转换电路。缺点是需要±12 V电源供电,稳定性和可靠性较差,集成电路容易损坏。
(2)由三极管及光耦隔离器构成标准RS－232C,采用单一的＋5 V电源供电,但需要注意的是:接口电路中PC机的RXD与TXD相连,数据发送的同时也被接受了,所以当PC机由发送数据变成接收数据时,必须假读一次,将接受缓冲器读完或者用软件复位寄存器的DO位通讯口实际上处于半双工状态,而且增加了软件设计的复杂性。
(3)由单一芯片构成电平的双转换,如MAX3232、TSC232等。
通过上述比较,本系统最终采用MAX3232芯片设计接口电路。MAX3232使用单一的＋3V电源,电压值在＋3．0～＋5．5V范围内都能正常工作。具体电路如图3.1所示。电路中仅使用四个外部电容器就可以实现接口和单片机之间的电平转换。
5 结论
本文用nRF905单片射频芯片设计实现了无线通信板,能实现双机间的无线通信,并能与计算机进行串口通信,具备一定的工业应用价值。
参考文献
[1]牛伟,等.无线局域网.人民邮电出版社,2003.9.
[2]伍湘彬.数字通信技术与应用.电子科技大学出版社,2000.
[3]周慈航,饶运涛.单片机程序设计基础.北京航空航天大学出版社,2001.3.
