基于nRF2401短距离无线通信系统硬件电路的设计.docx
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基于nRF2401短距离无线通信系统硬件电路的设计
摘要
随着射频技术、集成电路的发展，越来越多的场合采用了无线传输技术。
与传统的有线数据传输相比，无线传输可以省掉大量布线，移动性好，还可以应用到许多特殊环境。
Nordic公司的nRF2401无线收发一体芯片和蓝牙一样，工作在2.4-2.5GHz的ISM波段。
本文介绍了一个基于nRF2401的短距离无线通信系统，nRF2401在单片机AT89C51RB2的控制下，工作在突发模式，可实现双工通信。
论文首先对当今的几种主要无线通信技术加以分析和比较，选择nRF2401作为系统的通信芯片。
对nRF2401芯片作了简单的介绍之后，在此基础上给出了基于nRF2401的短距离无线通信系统总体设计方案，详细的论述了各部分硬件电路的设计，并对软件程序流程做了简要的分析。
最后制作了系统各个模块的PCB版图并给出了一些系统调试的方法。
为提高系统的通信速率，本文还提出了一种改进设计的方法。
关键词：
无线；nRF2401；单片机；AT89C51RB2
Abstract
WiththedevelopmentofRFtechnologyandintegratedcircuit,agrowingnumberofoccasionsbegintousethewirelesstransmissiontechnology.Comparedtothetraditionalwireddatatransmission,wirelesstransmissioncansavealotwireandhasgoodmobilityandalsocanbeappliedtosomespecialenvironment.ThenRF2401chipproducedbyNordicisasingle-chipradiotransceiverfortheworldwide2.4-2.5GHzISMband,aswellasBluetooth.Hereawirelessshort-distancecommunicationsystembasedonnRF2401isintroduced.ThenRF2401underthecontrolofSCMAT89C51RB2worksintheShockBurstmodeandcanrealizeduplexcommunication.First,severaltoday’smajorwirelesscommunicationtechnologiesareanalyzedandcomparedinthispaperandnRF2401isselectedasthecommunicationchipofthesystem.OnthebaseofabriefintroductionofnRF2401,thedesignoptionoftheshort-distancewirelesscommunicationsystemisdiscussed.Thevariouspartsofthecircuitdesignofhardwarearediscussedindetailandsoftwareprocessesaregaveabriefanalysisinthepaper.Finally,thepapergivesthePCBlayoutofdifferentmodulesofthesystemandsomesystemdebuggingmethods.Toimprovethecommunicationrate,thepaperalsoproposedamodifieddesign.
Keywords：
wireless;nRF2401;SCM;AT89C51RB2
第1章绪论
随着微电子技术的不断进步，极大地推动了计算机和通信设备的普及和发展，一些电子消费产品如PC机、掌上电脑、移动电话、无绳电话等逐步进入人们的日常生活、工作和学习中，成为人们生活中不可缺少的一部分。
然而在这些设备之间的数据传输往往通过电缆进行，限制了其使用的灵活性。
因此人们开发了能够取代电缆的短距离无线连接技术以解决此问题。
无线网络标准根据通信距离的不同可以分为WAN[1,2]，WLAN和PAN三类，它们的有机组合，构成了完整的无线互联网络体系。
本文的短距无线通信属于WLAN（无线局域网）技术，工程上可称之为移动计算机局域网，目前移动计算机局域网己经有了多种解决方案，主要包括IEEE802.11，HomeRF，HierpLAN，IrDA红外网络以及日益兴起的蓝牙技术等。
其中，IEEE802.11和HomeRF是北美应用最广泛的技术；HierpLAN近年在欧洲得到广泛的支持，发展异常迅猛；红外技术由于其价格便宜、体积小巧、应用成熟，很早就已取得广泛应用；蓝牙技术是1998年5月由爱立信、IBM、英特尔、诺基亚等多家公司联合制定的短距离无线通信技术标准。
它们在短距离无线通信领域各具优势，相互竞争，以下是对各种短距离无线通信技术的简略介绍及比较。
1.1IEEE802.11标准
IEEE802.n是企业无线局域网的标准技术，最早的IEEE802.n协议标准是主要用于解决办公室局域网和校园网中用户与用户终端之间的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mbit/s。
由于IEEE802.11在速率和传输距离上都不能满足人们的需要，因此IEEE又相继推出了802.11a和802.11b两个新标准。
三者之间技术差别主要在于MAC（MediumAccessControl，媒介访问控制）子层和物理层。
IEEE802.11协议只规定了开放式系统互连参考模型（OSI/RM）的物理层和MAC层，其MAC层利用载波监听多重访问/冲突避免（CSMA/CA）协议，而在物理层，IEEE802.11定义了三种不同的物理介质，它们分别是红外线、跳频扩谱方式（FHSS）以及直接序列扩谱方式（DSSS）。
IEEE802.11a工作在5GHz频带，避开了拥挤的2.4GHz频段。
物理层传输速率可达54Mbit/s，传输层可达25Mbit/s。
采用正交频分双工（OFDM）的独特扩频技术，可提供25Mbit/s的无线ATM（异步传送模式）接口、l0Mbit/s的以太网无线帧结构接口和TDD/TDMA的空中接口，支持语音、数据、图像业务，一个扇区可接入多个用户，每个用户可带多个用户终端。
IEEE802.11b（Wi-Fi）使用开放的2.4GHz直接序列扩频，最大数据传输速率为11Mbps，无需直线传播，其实际的传输速率在5Mbps左右，与普通的l0Base-T规格有线局域网处于同一水平（现在最常用的以太LAN使用的是双绞线，这种传输介质称为l0Base-T）。
IEEE802.11b使用动态速率转换，当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为5.5Mbps，2Mbps和1Mbps，且当工作在2Mbps和1Mbps速率时可向下兼容IEEE502.11。
IEEE502.11b的使用范围在室外为300米，在办公室环境中则最长为100米，适用与以太网类似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。
IEEE802.11b运作模式基本分为两种：
点对点模式和基本模式，点对点模式是指无线网卡和无线网卡之间的通信方式；基本模式是指无线网络规模扩充或无线和有线网络并存时的通信方式，这是IEEE802.11b最常用的方式。
IEEE802.11a在使用频率的选择和数据传输速率上都优于IEEE802.11b，不过目前还远没有成熟，存在着不少问题，如芯片与设备昂贵，空中接力特性不好，点对点连接不经济，也不适合小型设备等。
1.2HomeRF标准
家庭无线电射频（HomeRF）是HomeRF工作组专门为家庭无线局域网而设计的开发性工业标准，其目标是要在家庭区域范围内的任何地方，在个人电脑和家用电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。
HomeRF是IEEE802.11与无绳电话技术DECT（DigitalEnhancedCordlessTelecommunications）的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。
它使用开放的2.4GHz频段，采用跳频扩谱（FHSS）技术，跳频速率为50跳/秒，共有75个带宽为1MHz的跳频信道。
调制方式为恒定包络的频移键控FSK调制，分为2FSK与4FSK两种，采用调频调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落。
2FSK方式下，最大数据的传输速率为1Mbps；4FSK方式下，速率可达2Mbps。
新的HomeRF2.x标准采用WBFH（WideBandFrequencyHopping，宽带调频）技术来增加跳频带宽，由原来的1MHz跳频信道增加到3MHz，5MHz，跳频的速率也增加到75跳/秒，数据峰值达到l0Mbps。
HomeRF把共享无线接入协议（SWAP）作为未来家庭联网的技术指标，基于该协议的网络是对等网，因此该协议主要针对家庭无线局域网。
其数据通信采用简化的IEEE802.11协议标准，沿用类似与以太网技术中的冲突检测的载波监听多址技术。
语音通信采用DECT标准，使用TDMA时分多址技术。
不过由于HomeRF技术没有公开，目前在抗干扰等方面相对应其他技术而言尚有欠缺，因此没有广泛的应用前景。
1.3红外（IrDA）技术
红外技术可以说是无线连接技术的鼻祖，由红外数据协会（IrDA—InfraredDataAssociation）提出并推行的一种无线协议，这种通信方式使用850nm的红外光来传输数据和语音。
新制定的超高红外（VFIR）标准传输速率为16Mpbs，相比传统版本FIR的4Mbps快了4倍，接收角度也由原来的30度扩展到120度，并且其硬件及相应软件技术都己比较成熟。
该技术的主要优点是无需专门申请特定频率的使用执照。
这一点，在当前频率资源匾乏，频道使用费增加的背景下是比较重要的。
并且它还具有移动通信设备所必需的体积小，功率低的优点。
IrDA的数据传输速率比较高，而且由于采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较少。
就目前而言，无论是技术成熟度还是普及度，都是其他新兴的无线连接技术所无法相比的，现在全球采用IrDA技术的设备已经超过了5000万部。
并且仍然每年以50%速度增长。
但IrDA也有其明显的缺点，首先，它只能实现点对点的连接，无法实现点对多点的连接，也即它只限于在2台设备之间进行链接；其次，IrDA是一种视距传输技术，中间不能有阻挡物，同时要求通信设备的位置相对固定，无法用于移动设备；最后，IrDA设备的核心部件—红外线LED是一种不耐用的器件，频繁使用会令其使用寿命大大缩短。
1.4蓝牙技术标准
蓝牙（Bluetooth）[3,4,5]是一种近距离无线通信技术规范，用来描述和规定各种信息电子产品（包括通信产品、计算机产品和消费电子产品）相互之间是如何用短距离无线电系统进行连接的，替代电缆是蓝牙技术最根本的应用特征，从应用角度来讲，它与日前广泛应用于微波通信中的多址技术十分相似，它很容易穿过障碍物，实现全方位的语音与数据传输。
主要优点是：
可以随时随地用无线接口来代替有线电缆连接；具有很强的移植性，可应用于多种通信场合；功耗低，对人体危害小；蓝牙集成电路应用简单，成本低廉，实现容易，易于推广等。
蓝牙使用2.4GHz频段，采用时分双工传输和跳频扩频（FHSS）调制技术来实现全双工传输，在发射带宽为1MHz时，其有效数据数率为721kbps，有时也可达到1Mbps。
跳频是蓝牙使用的关键技术，蓝牙以2.45GHz为中心频率，得到79个1MHz带宽的信道，对应于单时隙分组，蓝牙的跳频速率为1600跳/秒；对应于多时隙包，跳频速率有所降低，但在建立链路时则提高为3200跳/秒。
ISM频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源，由于使用比较高的跳频速率，蓝牙系统具有较其他通信技术更强的抗干扰能力。
蓝牙支持点对点和点到多点的连接，蓝牙最基本的网络组成是匹克网。
匹克网由主设备单元和从设备单元构成。
主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，而从设备单元一般是受控同步的设备单元，并接受主设备单元的控制。
在同一匹克网中，所有设备单元均采用同一跳频序列。
一个匹克网中一般只有一个主设备单元，而从设备单元目前最多可以有7个。
一个匹克网中的从设备同时还可作为另一个匹克网的主设备，以此方式进行网络拓展，几个匹克网连接在一起，称为scatternet（散射网），形成灵活的多重匹克网的拓扑结构，并靠跳频顺序识别每个匹克网。
从而实现各类设备之间的快速通信。
由于蓝牙技术独立于不同的操作系统和通信协议之外，可以移植到许多应用领域，因而应用场合很普遍。
蓝牙力求与不同的操作系统和通信协议有良好的接口，从而保证一定的兼容性。
蓝牙技术适用于任何数据、图像、声音等短距离通信场合，包括蜂窝电话、PDA、计算机外设、设备仪器等各种设备上数据无线通信。
1.5几种无线技术的比较
表1-1四种无线技术比较数据
对比规格
802.11b
家用射频
（HomeRF）
红外
（IrDA）
蓝牙
（Bluetooth）
无线传输媒介
2.4GHz无线电波
2.4GHz无线电波
红外光
2.4GHz无线电波
传输数率（Mbit/s）
DSSS：
11
FHSS：
1或2
2FSK：
1～2
1.152，4，16
THSS：
1
数据/语音支持
数据，语音很弱
语音和数据
只支持数据
语音和数据
传输距离
25~100m
50m
20cm~1.2m
10~100m
移动能力
好
好
差
极佳
方向性
全向（
，中间可有障碍）
全向（
，中间可有障碍）
窄角（<
，中间可有障碍）
全向（
，中间可有障碍）
目前参考成本
100~200美元
100~200美元
<5美元
>20美元
功率
100mW
100mW
\
0～100mW
传输方式
点到点，点到多点
点到点，点到多点
点到点
点到点，点到多点
组要用途
企业无线局域网
家庭中的各种家电设备之间的连接
透明可见范围内的数据传输，近距离遥控
适用于任何以无线传输方式替代有线连接的场合
综上所述，各种无线技术都有各自的优点和不足，不同的技术适合于不同的用户。
IEEE802.11/b/a定位于企业无线网络，主要适用于大型办公室或企业集团，是一种用来对大文件进行带宽占用以及突发性的信息传输要求，或者用来保持因特网和专用网不间断连接的无线局域网技术，其实现成本较高。
在家庭无线应用上，HomeRF无可非议，其专为家庭用户设计，对流媒体提供了真正意义上的支持，目前HomeRF只能通过PC卡的形式实现，尚无法像蓝牙那样利用模块或芯片实现，因而成本比蓝牙高。
在近距离10米内，以无线方式替代线缆的应用场合，蓝牙与IrDA有很大的优势，IrDA技术成熟，数据传输速率比蓝牙高，但IrDA属视距技术，并且无法满足设备之间相互移动的要求。
蓝牙最初的提出和今后的发展方向都是以低成本为目的，非常适合应用于低成本近距离无线传输场合。
四种无线技术的具体对比数据，如表1-1所示。
可以看出，各种标准都是根据不同的使用场合，不同的用户需求而制定的。
有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性。
因此我们应视实际需求选择一种合适的无线技术。
1.6本文的主要工作和论文的安排
随着技术的发展，在进行短距离无线通信时，现已有多种技术方案可供选择。
如蓝牙，802.11b，但各有特点和应用场合。
在一些如无线抄表、无线点菜等低成本应用场合，HomeRF或802.11b较高的成本和复杂的开发过程限制了其应用。
蓝牙是一个非常复杂的体系，完整实现蓝牙技术协议体系的芯片接口复杂，并且昂贵。
Nordic的nRF2401是简化了蓝牙协议的无线收发芯片，在实现短距离无线通信上成本低廉，开发周期短。
由于其较低的价格、简单的开发，在低成本应用场合显示了独特的优势。
本文的具体工作如下：
1.本文首先介绍了现有的一些短距离无线数据通信技术的特点和应用。
2.分析了短距离无线通信系统的要求，即通信距离在25米左右（室内），具有无线抄表的功能和数据通信的功能，实现上位机与下位机的双工通信。
3.基于前面的需求分析，设计了一个点对点的数据传输系统，给出了系统的构成框图并分析了其工作原理。
在比较了现有的几种短距离无线数据通信技术的特点后，决定采用Nordic公司的nRF2401芯片和ATMEL公司的单片机AT89C51RB2。
nRF2401及一些外围元件组成其无线收发模块，AT89C51RB2为其控制模块。
文中详细介绍了采用的主要芯片的结构和原理，并对硬件系统的各个组成部分分别进行了剖析，还详细描述了nRF2401的配置，收/发原理，及AT89C51RB2和nRF2401之间的SPI接口。
简要地阐述了单片机和nRF2401的程序设计。
4.提出了PCB制板时，应该注意的问题，给出了解决问题的措施。
5.为改善本系统的性能，提高无线传输的速率，给出了单片机AT89C51RB2与计算机之间的USB接口设计，并对USB100接口时序进行了分析，为软件设计打下了基础。
本文的安排：
第1章介绍了现有的一些短距离无线数据通信技术的特点和应用。
第2章分析了短距离无线通信系统。
根据系统需求，选择了无线收发一体芯片nRF2401和AT89C51RB2，详细分析了这些芯片的功能。
第3章给出了无线短距离通信系统的硬件设计。
分别具体讲解了各个部分的元件、功能和设计图。
第4章给出了无线短距离通信系统的软件设计。
第5章介绍将数字电路和模拟电路分别制作两块PCB板上。
本章分析了在制板时容易碰到的问题，讨论了解决方案并给出了调试过程中的一些方法。
第6章给出了系统的改进设计。
为了充分利用nRF2401的高速率，和计算机的连接可以采用USB接口，这个方案可以采用USB100芯片。
本章给出了使用AT89C51RB2和USB100芯片的系统设计。
第7章对本文工作加以总结，并提出新的设想，为论文的进一步研究指明了方向。
第2章短距离无线数据传输系统设计
2.1系统分析
本次设计中，我们需要建立一个在一定范围中使用的小型无线网络通信系统，要求通信距离在25米左右，具有无线抄表的功能和数据通信的功能。
一个典型的无线网络通信系统如图2-l所示。
图2-1典型无线网络通信系统示意图
微机将数据传给单片机控制系统，然后单片机把数据传给射频部分发射出去，同时还要能够接受数据。
2.2系统硬件选择
2.2.1射频收发芯片nRF2401
由于无线收发芯片的种类很多，如表2-l。
如何在设计中选择所需要的芯片非常关键。
正确的选择可以使开发工作少走弯路，以下几点是在选择芯片时注意的问题。
1）收发芯片数据传输的编码方式
采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的1/3。
而采用串口传输的芯片，如Nordic公司nRF2401[6~8]系列的芯片，因为串口的编程相对简单，应用及编程非常简单，并且传送的效率很高，标称速率就是实际速率。
2）外围元件数量
芯片外围元件的数量决定了模块的体积和重量，以及整个系统的复杂性。
因此应该选择外围元件少的收发芯片。
这方面nRF2401是一个较为理想的选择，外围元件仅需14个，无需声表面滤波器、变容管等昂贵的元件。
3）功耗
由于无线收发芯片是应用在一些移动的产品上，因此功耗非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的模块。
表2-1无线收发芯片
Brand
nRF2401
Nordic
RF2915
RFMD
BC418
Bluechip
XC1201
Xemics
CC400
ChipCon
工作电压
1.9~3.6V
2.4~5.0V
2.5~3.4V
2.4~5.5V
2.7~3.3V
数据是否可以直接接单片机串口使用
可以直接接单片机串口，数据无需曼彻斯特编码，效率高
不能直接接单片机串口，数据需要进行曼彻斯特编码，效率低
不能直接接单片机串口，数据需要进行曼彻斯特编码，效率低
不能直接接单片机串口，数据需要进行曼彻斯特编码，效率低
不能直接接单片机串口，数据需要进行曼彻斯特编码，效率低
最大输出功率
+4dBm
+5dBm
+12dBm
+5dBm
+14dBm
速率
1Mbps
9.6Kbps
<128Kbps（外部调制）；
2.4Kbps（内部调制）
64Kbps
9.6Kbps
外接天线的数量
1
1
2
2
1
外围元件数量
约14个
约50个
>50个
两根天线约35个；一根天线约20个
>25个
4）发射功率
在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。
5）收发芯片的封装和管脚数
较少的引脚以及较小的封装，有利于减少PCB的面积，适合测控系统的设计。
考虑到各种因素本方案最后选用nRF2401无线收发一体芯片。
nRF2401芯片和蓝牙芯片一样，都工作在2.4GHz自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。
nRF2401支持多点间通信，最高传输速率超过1Mbit/S，而且比蓝牙具有更高的传输速度。
它采用SoC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。
与蓝牙不同的是，nRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。
更重要的是，nRF2401比蓝牙产品更便宜。
所以nRF2401是业界体积较小、功耗较低、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。
图2-2nRF2401的引脚排列图（顶视图）
图2-3nRF2401的内部结构及外部组成
1.主要特点
nRF2401的引脚排列如图2-2（顶视图）所示。
它采用5mm×5mm的24引脚QFN封装。
表2-2所列是其引脚功能。
nRF2401的主要特点如下：
采用全球开放的2.4GHz频段，有125个频道，可满足多频及跳频需要；速率（1Mbps）高于蓝牙，且具有高数据吞吐量；外围元件极少，原则上只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路；发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置；电源电压范围为1.9～3.6V，功耗很低；电流消耗很小，-5dBm输出功率时的典型峰值电流为10.5mA；芯片内部设置有专门的稳压电路，因此使用任何电源（包括DC/DC开关电源）均有很好的通信效果；每个芯片均可以通过软件设置最多40bit地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据（提供一个中断指示），同时编程也很方便；内置CRC校验硬件电路和协议；采用DuoCeiverTM技术可同时接收两个nRF2401的数据；采用ShockBurstTM[9~11]模式时，能适用极低的功率操作和不严格的MCU执行；无需外部SAW滤波器；可10096RF检验；带有数据时隙和数据时钟恢复功能。
nRF2401的内部结构原理及外部组成框图如图2-3所示。
2.管脚功能
表2-2nRF2401管脚功能
引脚
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