基于nRF401的通用智能无线收发装置文档格式.docx
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控制模块负责对无线射频模块状态切换及信道切换的控制,选用华邦单片机W77E58,控制模块的设计分为硬件电路的设计和软件的设计两部分。
2.1硬件电路的设计
W77E58速度高,工作频率可扩展到40MHz,使用与8051/52同样的晶振运行时间比8052快2.5倍[3],且其片内自带两个UART串口,串口0用于与外部的串口设备通信,串口1用于与无线收发模块通信,其中J6口为控制模块与无线射频模块的接口,J2口为控制模块与外部串口设备通信的接口,可以采用简单的三线通信方式,也可以加上流控信号CTS,通过TTL电平对Reset管脚的控制可以实现对智能无线数传模块的复位。
J2口与外部串口设备可以以RS232或TTL电平的形式进行通信,通信形式的选择通过对接口J3、J4、J5的跳线设置,MAX232及外围的电容元件均可采用贴片器件,以缩小PCB板空间。
通过P2.5,P2.6,P2.7分别对无线射频模块的待机状态与工作状态的切换,收发状态的切换、信道的切换进行控制。
2.2软件的设计
W77E58片内自带有两个串口,其中串口0可以使用定时器T1或定时器T2作为波特率发生器;
串口1只能使用定时器T1作为其波特率发生器[4]。
本设计中采用T2做为串口0的波特率发生器,采用T1做为串口1的波特率发生器,两个串口均工作在串口模式1,波特率为9600b/s,串口0占用了第4号中断,使用SCON,SBUF做为其串口控制寄存器和串口数据缓冲器;
串口1则占用了第7号中断,SCON1,SBUF1做为其串口控制寄存器和串口数据缓冲器。
对串口的初始化函数为init_serialport(),函数定义如下:
在无线通信的过程中,由于外部环境的干扰,通常误码率比较高,即使发射方不发送数据,接收方仍会经常接收到由于外部干扰而产生的乱数据,为了在接收的过程中区分接收到的数据是否为有效数据,必须有一定的通信协议:
(1)两个串口的数据发送均采用查询方式,数据接收均使用中断方式;
(2)数据帧包括帧首和数据两部分,帧首使用双字节0x55AA,数据部分为1B,即每帧占用3B,帧首和数据部分均采用十六进制ASCII码传送,确保协议的透明性;
(3)接收方如果接收到0x550xAA字节,则说明接收到有效的数据帧,否则将该帧丢弃。
如果硬件电路设计合理,元器件的选择恰当,再加上以上简单的通信协议,则可将误码率控制在0.2%以下。
单片机上电后,首先对系统和串口进行初始化,然后单片机进入待机模式,直到两个串口中的一个发生中断硬转为工作模式,处理中断程序。
主要的程序代码如下:
3硬件电路的测试
本设计中将控制模块和无线射频模式分开设计,控制模块通过一单排7脚的接口控制射频模块,测试的步骤如下:
(1)将控制模块和无线射频模块焊好,检查确认无虚焊、粘焊;
(2)先对控制模块上电进行测试,主要是测试控制模块的串口0和串口1能否相互收发数据,测试方法是通过板上跳线将串口0设置为RS232标准,由于板上的串口1只有TTL电平标准,必须外加电平转换电路将其转换为RS232标准,然后将两个串口分别接到计算机的两个串口上,将以上的程序写到W77E58上,然后用串口测试软件测试,如果串口0,1能相互收发数据,便可开始对无线射频模块进行测试;
(3)将无线射频模块的J1口与控制模块的J6口焊接起来,上电进行测试,按照以上的程序,上电时处于接收状态,可对TXEN,PWUP,CS等管脚进行测试,看是否与程序吻合;
(4)确认射频模块上电处于接收状态后,可测试nRF401地第4管脚是否为1.1V左右,如果是,则说明VCO电感设计合理,否则要重新设计PCB板,此外,nRF401在没有数据接收时,仍会自动从DOUT发送随机数据,使用万用表进行测试时该引脚电压应为2.5V左右[4]。
如有示波器可做更详细的测试。
4结语
由无线收发芯片nRF401、单片机W77E58、接口芯片MAX323等组成了一个智能控制无线收发装置,该装置具有通用性,可嵌入到各种仪器仪表数据采集系统、遥控遥测系统中,实现无线数据的双向传输。
供应nRF401模块
微功率无线射频通信模块块特点:
1.微功率发射,最大发射功率10mW。
2.ISM频段,无需申请频点。
载频频率433MHz,也可提供868/915MHz载频。
3.高抗干扰能力和低误码率。
基于FSK的调制方式,采用高效前向纠错信道编码技术,提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力,在信道误码率为10-2时,可得到实际误码率10-5~10-6。
4.传输距离远。
在视距情况下,天线高度>
2米,可靠传输距离可达300-4000m(BER=1200bps)。
5.透明的数据传输。
提供透明的数据接口,能适应任何标准或非标准的用户协议。
自动过滤掉空中产生的假数据(所收即所发)。
6.多信道。
STR系列标准配置提供8个信道,如果用户需要,可扩展到16/32/64信道。
满足用户多种通信组合方式。
7.双串口,3种接口方式。
STR系列提供2个串口3种接口方式,COM1为TTL电平UART接口。
COM2由用户自定义为标准的RS-232/RS-485口(用户只需要拔插1位短路器再上电即可定义)。
8.大的数据缓冲区。
接口波特率为1200/2400/4800/9600/19200/38400bps,格式为8N1/8E1用户自定义,可传输无限长的数据帧,用户编程更灵活。
9.智能数据控制,用户无需编制多余的程序。
即使是半双工通信,用户也无需编制多余的程序,只要从接口收/发数据即可,其它如空中收/发转换,控制等操作,STR自动完成。
10.低功耗及休眠功能。
+5V供电情况下,接收电流
概述
所设计的无线数传模块由单片射频收发芯片nRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片构成,工作在433.92/434.33MHz频段;
可方便地嵌入在各种测量和控制系统中进行无线数据传输,在车辆监控、无线抄表、无线232数据通信、计算机遥控遥测系统中应用。
nRF401是北欧集成电路公司(NORDIC)的产品,是一个为433MHzISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片,满足欧洲电信工业标准(ETSI)EN300200-1V1.2.1。
它采用FSK调制解调技术,最高工作速率可以达到20K,发射功率可以调整,最大发射功率是+10dBm。
nRF401的天线接口设计为差分天线,以便于使用低成本的PCB天线。
它要求非常少的外围元件(约10个),无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件,只需要便宜且易于获得的4MHz晶体,收发天线合一。
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始化和配置,不需要对数据进行曼彻斯特编码,有两个工作频宽(433.92/434.33MHz),工作电压范围可以从2.7-5V,还具有待机模式,可以更省电和高效。
nRF401无线收发芯片的结构框图如图1所示:
内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。
发射电路包含有:
射频功率放大器、锁相环(PLL),压控振荡器(VCO),频率合成器等电路。
基准振荡器采用外接晶体振荡器,产生电路所需的基准频率。
其主要特性如下:
●工作频率为国际通用的数传频段
●FSK调制,抗干扰能力强,特别适合工业控制场合;
●采用PLL频率合成技术,频率稳定性极好;
●灵敏度高,达到-105dBm(nRF401);
●功耗小,接收状态250A,待机状态仅为8A(nRF401);
●最大发射功率达+10dBm;
●低工作电压(2.7V),可满足低功耗设备的要求;
●具有多个频道,可方便地切换工作频率;
●工作速率最高可达20Kbit/s(RF401);
●仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件,基本无需调试;
●因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,使用无需申请许可证,开阔地的使用距离最远可达1000米(与具体使用环境及元件参数有关)。
引脚排列和功能
nRF401无线收发芯片具有20个引脚。
重要时序参数
TX与RX之间的切换
当从RX切换到TX模式时,数据输入脚(DIN)必须保持为高至少1ms才能收发数据。
当从TX切换到RX时,数据输出脚(DOUT)要至少3ms以后有数据输出。
Standby与RX之间的切换
从待机模式到接收模式,当PWR_UP输入设成1时,经过tSR时间后,DOUT脚输出数据才有效。
对nRF401来说,tST最长的时间是3ms。
从待机模式到发射模式,所需稳定的最大时间是tST。
PowerUp与TX间的切换
从加电到发射模式过程中,为了避免开机时产生干扰和辐射,在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低,以便于频率合成器进入稳定工作状态。
当由上电进入发射模式时,TXEN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据。
从上电到接收模式过程中,芯片将不会接收数据,DOUT也不会有数据输出,直到电压稳定达到2.7V以上,并且至少保持5ms。
如果采用外部振荡器,这个时间可以缩短到3ms。
应用电路及设计应注意问题
在实际应用中,微控制器采用Atmel公司的AT89C52,分别用单片机的P1口各管脚控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS这五个脚即可。
具体连接可参见图3。
接口芯片采用美信公司的RS232转换芯片MAX3316,完成单片机和计算机RS232接口的电平转换及数据发送、接收、请求、清除功能。
关于此芯片的使用可参见其手册。
在nRF401芯片使用时,设定好工作频率,进入正常工作状态后,通过单片机根据需要进行收发转换控制,发送/接收数据或进行状态转换。
在实际的设计应用中,需要注意以下几个问题:
1)天线的接入
ANT1和ANT2是接收时LNA的输入,以及发送时功率放大器的输出。
连接nRF401的天线是以差分方式连接到nRF401的。
在天线端推荐的负载阻抗是400欧姆。
图3是一个典型的采用差分方式的原理图。
射频功率放大器输出是两个开路输出三极管,配制成差分配对方式,功率放大器的VDD必须通过集电极负载,当采用差分环形天线时,VDD必须通过环形天线的中心输入。
2)与单片机共用一个晶振
nRF401可以与单片机共用一个晶振,图4表示了这种应用的连接方式。
需要注意从单片机引入的晶体走线不能离数据线或者控制线太近。
PCB布局和去耦设计印刷电路板(PCB)的设计直接关系到射频性能,为了获得较好的RF性能,PCB设计至少需要两层板来实现,PCB分成射频电路和控制电路两部分布置。
nRF401采用PCB天线,在天线的下面没有接地面。
射频部分的电源与数字电路部分的电源分离。
为了减少分布参数的影响,在PCB应该避免长的电源走线,所有元件地线,VDD连接线,VDD去耦电容必须离nRF401尽可能的近。
nRF401的电源必须经过很好的滤波,并且与数字电路供电分离,在离电源脚VDD尽可能近的地方用高性能的电容去耦,最好是一个小电容和一个大电容相并联。
PCB板顶层和底层最好敷铜接地,把这两层的敷铜用较多的过孔紧密相连,再将VSS脚连接到敷铜面。
所有开关信号和控制信号都不能经过PLL环路滤波器元件和VCO电感附近。
对nRF401的PCB布局来说,VCO电感的位置是非常重要的。
nRF401VCO电感位置的最佳设计是保证产生1.10.2V的PLL环路滤波器电压,这个电压可以从FILT1(pin4)测得。
通信协议的设计
nRF401在很多时候用在便携及移动式设备,在这种应用中需要尽可能长时间的工作,考虑到电池的能耗,往往需要考虑节能和低功耗设计的问题。
为了节能,nRF401平时大多数情况下应处于关闭状态,由于无线部分硬件上是不具备自动唤醒功能的,为了达到节能的目的,必须通过软件方式采用合理的通信协议以保证节能同时不丢失数据。
1)首先每次发送应该有一个前置码,通常可采用101010101010……,持续一个给定的周期(比如1秒),这个前置码是节能的基础。
2)接收端平时可以开启接收几个毫秒,如果没有收到规定的前置101010101010……,然后关闭约1秒,通过检测前置码而获得同步。
开关的时间比也就是工作的占空比,增加前置码的周期可以减少工作的时间,从而减少平均工作电流;
需要注意的是增加前置码的长度虽然可以降低功耗,但是会降低系统的响应速度,需要根据系统的要求进行确定。
软件设计
在设计程序时,要注意各状态转换的时延。
nRF401的通讯速率最高为20kbit/s,发送数据之前需将电路置于发射模式;
接收模式转换为发射模式的转换时间至少为1ms;
可以发送任意长度的数据;
发射模式转换为接收模式的转换时间至少为3ms。
在待机模式时,电路进入待机状态,电路不接收和发射数据。
待机模式转换为发射模式的转换时间至少为4ms;
待机模式转换为接收模式的转换时间至少为5.0ms。
这里给出系统和程序的工作流程图5
2.4G无线收发模块(NRF401)
车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等。
.工作频率为国际通用的数传频段
.FSK调制,抗干扰能力强,特别适合工业控制场合
.采用PLL频率合成技术,频率稳定性极好。
.灵敏度高,达到-105dBm(nRF401)
.功耗小,接收状态250uA,待机状态仅为8uA(nRF401)
.最大发射功率达+10dBm
.低工作电压(2.7V),可满足低功耗设备的要求
.具有多个频道,可方便地切换工作频率
.工作速率最高可达20Kbit/S(RF401)
.仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件,基本无需调试
.由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,使用无需申请许可证,开阔地的使用距离最远可达1000米*
*与具体使用环境及元件参数有关
nRF401
工作频段
433MHz
信道数
2
功能
发射/接收
稳频方式
PLL
调制方式
FSK
最大输出功率
+10dBm
灵敏度
-105dBm
最大工作速率
20Kbit/s
工作电压
2.7--5.2V
封装
20SOIC
ATC-871无线串口通讯模
ATC-871无线数传模块提供标准RS-232,RS-485和UART/TTL电平3种接口方式,可直接与计算机、用户的RS-485设备、单片机或其它UART器件连接使用,ATC-86/87系列的通信信道是半双工的,最适合点对多点的通信方式,通信的协调完全由主站控制,主站采用带地址码的数据帧发送数据或命令,从站全部都接收,并根据地址码的比较,选择响应;
这些工作都需要上层协议来完成,并可保证在任何一个瞬间,通信网中只有一个无线模块处于发送状态,以免相互干扰。
所以,对于使用者来说,ATC-86/87系列所建立起来的传输通道是透明的。
ATC-86/87系列也可以用于点对点通信,使用更加简单,可平滑地升级原有系统中有线(RS232/485/TTL)的传输方式。
产品特点:
视距可靠传输距离可达800m(871)(BER10-3@9600bps)提供面向字节的透明数据接口,能适应不同用户协议;
可用于点对点,点对多点,多点对点等多种通信组合方式;
自动过滤掉空中产生的假数据,可传输较长的数据帧;
429.00~433.30MHzISM频段,无需申请频点;
微功率发射,最大发射功率10mW;
配50欧SMA天线座,可提供多款天线选择;
同时提供RS-232/RS-485/TTL电平接口,可选I/O口;
有效速率1200/2400/4800/9600/19200/38400bps;
工作温度为-20℃~70℃(普通)/-35℃~70℃(工业级);
发射电流:
(A)≤30mA(B)≤130mA/接收电流:
≤10mA(1200bps);
工业遥控、遥测\无线抄表;
自动化数据采集系统、无线标签、无线遥控、水纹气象监控;
门禁考勤、POS系统、机房设备无线监控;