单片机的无线数据传输系统设计

陈　婵,陈可中

(中国铁通集团有限公司南宁分公司　广西南宁　530001)

摘　要:随着科学技术突飞的发展,无线化已经成为电子技术的一个重要发展方向。简要介绍了无线通信基础知识,接着对组成系统的每个功能模块进行拆分设计,并对射频芯片nRF905的结构和工作原理作了简要的介绍,开发了硬件电路、外围工艺和数据无线收发程序。最后对数据无线传输距离进行理论计算和分析。

关键词:无线传输;nRF905;单片机

中图分类号:TN92　　　　　文献标识码:B 　　　　　文章编号:10042373X (2008)052040203

Design of Wireless Data T ransport System of a Single Chip Microcomputer

CH EN Chan ,CH EN Kezhong

(Nanning Branch ,China Tietong Telecommunications Co.L td.,Nanning ,530001,China )

Abstract :Along with the development of science ,the wireless technique has already been an important development derec 2tion of electronics technique.This design introduces foundation 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 f re 2quency 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.

K eywords :wireless transport ;nRF905;single chip microcomputer

收稿日期:2007209220

基金项目:广西大学高等教育教学改革工程“十一五”立项项目“广

西地方大学本科应用人才培养模式改革的研究与实

践———电子技术实验课程”

(2005年032);广西教育科学“十一五”规划课题“电子技术实验教学改革的研究与

实践”

(2006年B002)。1　引　言

随着计算机、通信和无线技术的逐步融合,在传统的有线通信的基础上,无线通信技术应运而生,他具有快捷、方便、可移动和安全等优势,所以广泛应用到遥控玩具、汽车电子、环境监测和电气自动化等。

在一些特殊应用场合中,单片机与上位机之间通信不再采用有线的数据传输,例如采用有线的串、并行总线、

I 2

C 和CAN 总线等,而是需要无线数据传输,本文介绍了

基于nRF905无线收发模块的实用单片机无线传输系统的设计。

2　无线收发模块n RF905

nRF905是挪威Nordic VL SI 公司推出的单片射频收

发器,工作电压为119～316V ,32引脚QFN 封装(5×

5mm ),工作于433/868/915M Hz 三个ISM (工业、科学和

医学)频道,频道之间的转换时间小于650μs 。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,不需外加声表滤波器,ShockBurst TM 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。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1215mA ,内建空闲模式与关机模式,易于实现节能。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。

3　芯片结构及工作模式

nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放

大器、频率合成器、功率放大器等模块,曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成,无需用户对数据进行曼彻斯特编码,因此使用非常方便。

nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作

模式分别是ShockBurst TM 接收模式和ShockBurst TM 发送模式,两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。

nRF905的工作模式由TRX

CE ,TX

EN 和PWR

U P

三个引脚决定,详见表1。

与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行,数据速率由微控制器配置的SPI 接口决定,数据

4无线通信陈　婵等:单片机的无线数据传输系统设计

表1　ShockBurstTM模式

PWR U P TRX CE TX EN工作模式0××关机模式

10×空闲模式

110射频接收模式

111射频发送模式

4　器件配置

所有配置字都是通过SPI接口送给nRF905,SIP接口的工作方式可通过SPI指令进行设置,当nRF905处于空闲模式或关机模式时,SPI接口可以保持在工作状态。

(1)SPI接口配置

SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。

(2)射频配置

设CH NO中的值为a,HFREQ PLL中的值为b,则nRF905的工作频率由公式:

f=42214+

a

10

×(1+b)(1)

所决定。若nRF905的工作频率取433120M Hz,则a= 108,b=0。

射频寄存器的各位的长度是固定的。然而,在Shock2 Burst TM收发过程中,TX PA Y LOAD,RX PA Y2 LOAD,TX ADDRESS和RX ADDRESS4个寄存器使用字节数由配置字决定。nRF905进入关机模式或空闲模式时,寄存器中的内容保持不变。

5　电路设计

nRF905在使用中,根据不同需要,其电路图不尽相同,图1所示为其应用原理图,该电路天线部分使用的是50Ω

单端天线。在nRF905的电路板设计中,也可以使用环形天线,把天线布在PCB板上,这可减小系统的体积。更详细的设计可参考nRF905的芯片手册。

nRF905通过SPI接口和微控制器进行数据传送

,通过ShockBurst TM

收发模式进行无线数据发送,收发可靠,使用方便,在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。

图1　射频收发电路图

6　程序流程

系统采用了一种应用最广泛的单片机A TS52为数据处理部分。具体的读、发程序流程如图2,图3所示。

图2　读取数据流程

图3　发送数据流程

7　配置程序

对于射频芯片nRF905的寄存器操作是个很关键的问题。由于采用了SPI协议,在配置寄存器过程应用指令及Pl中模拟时钟上升沿时,很容易出现移错位及时钟上升沿无效的情况。SPI接口有4个信号线:MOSI,MISO, SCK,CSN,分别为输入线、输出线、时钟线、配置使能线。SPI的通信时序如图4所示。

图4　SPI读操作时序图

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《现代电子技术》2008年第5期总第268期　 通信与信息技术8　系统的参数测量

无线通信在自由空间中传播距离的计算方法:所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播,他是理想传播条件。电波在自由空间传播时,其能量既不会被障碍物所吸收,也不会产生反射或散射。

通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关: [L fs]=32.44+20lg d+20lg f(2)式中L fs(单位:dB)为传输损耗,d(单位:km)为传输距离,频率f的单位以M Hz计算。由上式可见,自由空间中电波传播损耗(亦称衰减)只与工作频率f和传播距离d有关,当f或d增大一倍时,[L fs]将分别增加6dB。

下面的公式说明在自由空间下电波传播的损耗:

[L os]=32.44+20lg d+20lg f(3) L os是传播损耗,单位为dB;d是距离,单位是km;f是工作频率,单位是M Hz。

本系统的无线收发模块nRF905选择工作在第一频道为43312M Hz,发射功率为+10dBm(10mW),接收灵敏度为-105dBm的系统在自由空间的传播距离:

(1)由发射功率+10dBm,接收灵敏度为-105dBm:

L os=115dB

(2)由L os,f计算得出:

d=31km

这是理想状况下的传输距离,实际的应用中会低于该值,这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响,如大气、阻挡物、多径等造成的损耗,将上述损耗的参考值计入上式中,即可计算出近似通信距离。

假定大气、遮挡等造成的损耗为25dB,可以计算得出通信距离为:

d=117km=1700m

9　影响无线通信距离的主要因素

图6是一个无线通信系统的信道模型,在工作频率固定的前提下,影响工作距离的主要因素包括发射功率、发射天线增益、传播损耗、接收天线增益、接收机灵敏度等,通过加大发射功率,提高天线增益,提高接收机灵敏度均起到提高通信距离的作用,在影响无线通信距离的以上几个因素中,作为设计者可以控制的因素有:接收灵敏度、RX一天线增益、发射输出功率。不能控制的因素是由无线电波的特点所决定的,主要有:传输损耗、路径损耗、多径损耗、

周围环境的吸收。

图5　无线通信系统模型图

在设计者可以控制的因素中,接收灵敏度、天线增益、发射功率都是可以作为提高通信距离的手段。

无线传输系统具有体积小、抗干扰能力强、数据安全可靠、无需布线、维护方便等优点,将会在各领域中带来广泛的市场。本系统结构简单,但这并没有影响系统的性能和用途。他可应用到遥控、遥测、汽车电子、安全防火、生物信号采集、环境监测和电气自动化等领域。

参　考　文　献

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作者简介　肖海林　男,1976年出生,湖北黄冈人,博士,副教授。主要研究方向为新一代无线通信系统MIMO信道建模、信道估计、信道编码及其链路算法。

聂在平　男,1946年出生,陕西西安人,教授,博士生导师,中国电子学会会士,IEEE高级会员,在国内外刊物发表文

章300多篇。

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无线通信陈　婵等:单片机的无线数据传输系统设计