单片机的无线数据传输系统设计解析.docx
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单片机的无线数据传输系统设计解析
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（2008052040203
DesignofWirelessDataTransportSystemofaSingleChipMicrocomputer
CHENChan,CHENKezhong
（NanningBranch,ChinaTietongTelecommunicationsCo.Ltd.,Nanning,530001,China
Abstract:
Alongwiththedevelopmentofscience,thewirelesstechniquehasalreadybeenandevelopmentderec2tionofelectronicstechnique.Thisdesignintroducesfoundationknowledgeofthewhichconstituteseachpieceoffunctionofthesystem,andintroducesthestructureandtheoftheradiofre2quencychipnRF905.Thedevelopmentincludesthehardwarecraftandtheprocedureofthedatawirelesstoreceiveanddispatch.Finallycarryingontheonthediagraph.
Keywords:
wirelesstransport;nRF905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、,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、
I2
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nRF905
nRF905是挪威NordicVLSI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433/868/915MHz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,ShockBurstTM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ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM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
UP
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
在微控制器中低速处理,但在nRF905中高速发送,因此中间有很长时间的空闲,有利于节能。
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频数据发射速率。
在ShockBurstTM接收模式下,当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后,地址匹配（AM和数据准备好（DR两引脚通知微控制器。
在ShockBurstTM发送模式,nRF905自动产生字头和CRC校验码,当发送过程完成后,数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。
由以上分析可知,nRF905的ShockBurstTM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源,同时也减小了编写程序的时间。
表1 ShockBurstTM模式
PWRUPTRXCETXEN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。
（1SPI接口配置
SPI接口由状态寄存器、
寄存器、个寄存器组成。
（2射频配置
设CHNO中的值为a,HFREQPLL中的值为b,则nRF905的工作频率由公式:
f=42214+10×（1+b（1所决定。
若nRF905的工作频率取433120MHz,则a=108,b=0。
射频寄存器的各位的长度是固定的。
然而,在Shock2BurstTM收发过程中,TXPAYLOAD,RXPAY2LOAD,TXADDRESS和RXADDRESS4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
ShockBurstTM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
6
AT89S52为数具体的读、
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:
[Lfs]=32.44+20lgd+20lgf（2式中Lfs（单位:
dB为传输损耗,d（单位:
km为传输距离,频率f的单位以MHz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,[Lfs]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:
[Los]=32.44+20lgd+20lgf（3Los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MHz。
本系统的无线收发模块nRF905选择工作在第一频道为43312MHz,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:
Los=115dB
（2由Los,f计算得出:
d=31km
值,,如大气、阻挡物、
上式中,
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、
数据安全,将会在各领域中带来广,但这并没有影响系统的性能遥测、汽车电子、安全防火、生环境监测和电气自动化等领域。
参 考 文 献
[1]黄智伟.单片无线收发集成电路原理与应用[M].北京:
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（上接第39页
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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:
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