1 引言  

當(dāng)代科學(xué)技術(shù)日益向高速化、智能化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，各種各樣的制造業(yè)和通信業(yè)設(shè)備除了可以與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)外，還可以互相聯(lián)機(jī)，而實(shí)現(xiàn)設(shè)備間相互聯(lián)機(jī)的最具發(fā)展?jié)摿Φ姆绞骄褪菬o(wú)線通信。與有線通信方式相比，無(wú)線通信具有一系列優(yōu)點(diǎn)，特別適用于手持現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、電池供電設(shè)備、遙控遙測(cè)設(shè)備、水文氣象監(jiān)控設(shè)備、生物信號(hào)采集系統(tǒng)、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。在上述無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用實(shí)際中，無(wú)線通信協(xié)議起著至關(guān)重要的作用，直接關(guān)系到無(wú)線通信系統(tǒng)的安全性和誤碼率以及系統(tǒng)運(yùn)行的速度。本文基于挪威Nordic VLSI公司最新推出的單片無(wú)線收發(fā)一體芯片nRF905設(shè)計(jì)出多功能無(wú)線數(shù)傳模塊：具有標(biāo)準(zhǔn)RS232C和RS485接口通信模塊，設(shè)計(jì)的多功能無(wú)線數(shù)傳模塊由基于nRF905的高頻頭和標(biāo)準(zhǔn)通信接口模塊組成。 

2 硬件設(shè)計(jì) 

2.1 高頻頭設(shè)計(jì) 

2.1.1 nRF905 簡(jiǎn)介 

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9～3.6V，32引腳QFN封裝(5×5mm)，工作于433/868/915MHz三個(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650us。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表濾波器， ShockBurst工作模式，自動(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無(wú)線數(shù)據(jù)通信、無(wú)線報(bào)警及安全系統(tǒng)、無(wú)線開(kāi)鎖、無(wú)線監(jiān)測(cè)、家庭自動(dòng)化和玩具等諸多領(lǐng)域。 

nRF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊，曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無(wú)需用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。nRF905的詳細(xì)結(jié) 構(gòu)如圖1所示，以及管腳功能如表1所示。 



圖1  nRF905結(jié)構(gòu)圖                              



圖2 由nRF905組成的高頻頭用戶接口 

2.1.2 高頻頭用戶接口設(shè)計(jì)

 圖2中給出了由nRF905組成的高頻頭用戶接口，該接口由10個(gè)數(shù)字輸入/輸出I/O組成，按照工作可分為三組： 

l         模式控制 

該接口由TRX_CE、TXEN、PWR組成控制由nRF905組成的高頻頭的四種工作模式：掉電和SPI編程模式；待機(jī)和SPI編程模式；發(fā)射模式；接收模式，各種模式的控制模式見(jiàn)下表1。 

l         SPI接口                                             

 表1 各種模式的控制模式  

   

PWR	TRX_CE	TXEN	工作模式
0	X	X	掉電和SPI編程模式
1	0	X	待機(jī)和SPI編程模式
1	1	0	接收
1	1	1	發(fā)射

 SPI接口由SCK、MISO、MOSI以及CSN組成。 

（1）在配置模式下單片機(jī)通過(guò)SPI接口配置高頻頭的工作參數(shù)； 

（2）在發(fā)射/接收模式下單片機(jī)SPI接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。 

l         狀態(tài)輸出接口 

提供載波檢測(cè)輸出CD，地址匹配輸出AM，數(shù)據(jù)就緒輸出DR。 

2.2 標(biāo)準(zhǔn)通信接口模塊 

標(biāo)準(zhǔn)通信接口模塊主要由三部分組成：標(biāo)準(zhǔn)RS232C接口模塊；標(biāo)準(zhǔn)RS485接口模塊；無(wú)線通信接口模塊。標(biāo)準(zhǔn)RS232C接口模塊，采用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX232A芯片將微處理器（MCU）的TTL電平與PC機(jī)串口標(biāo)準(zhǔn)RS232C電平進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。標(biāo)準(zhǔn)RS485接口模塊采用Motorola公司生產(chǎn)的MC3486和MC3487電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)TTL電平與RS485電平的轉(zhuǎn)換。無(wú)線通信接口模塊采用Philips公司生產(chǎn)的74LVC4245A電平轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)3V與5V電平轉(zhuǎn)換，可以實(shí)現(xiàn)MCU與nRF905之間的雙向數(shù)據(jù)通信。其工作原理為：根據(jù)事先設(shè)定的通信協(xié)議，MCU通過(guò)設(shè)定74LVC4245A的DIR引腳為高和低電平，可以分別實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)由MCU到nRF905的傳輸（即5V轉(zhuǎn)換為3V）和nRF905到MCU的傳輸（即3V轉(zhuǎn)換為5V）。 

3 軟件設(shè)計(jì) 

3.1 RS232接口通信軟件設(shè)計(jì) 

在本設(shè)計(jì)中PC機(jī)發(fā)送字符與接受字符均采用查詢方式，發(fā)送前先讀取通信或狀態(tài)寄存器，查詢發(fā)送保持寄存器是否為空；接收前先讀取通信或狀態(tài)寄存器，查詢一幀據(jù)是否收完。從機(jī)采用中斷方式，即接受到地址幀后就進(jìn)行串行口中斷申請(qǐng)，CPU響應(yīng)后，進(jìn)入中斷服務(wù)程序。 

PC機(jī)通訊程序用Visual Basic開(kāi)發(fā)。我們利用了VB提供的串行通訊專用ActiveX控件MSComm， 該控件屏蔽了通訊過(guò)程的低層操作。只需設(shè)置MSComm 控件的相應(yīng)屬性，調(diào)用控件相應(yīng)方法和事件，按照通訊協(xié)議要求發(fā)出命令號(hào)，下位機(jī)完成相應(yīng)功能，便能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊。 

3.2 RS485接口通信軟件設(shè)計(jì) 

利用RS485接口可以實(shí)現(xiàn) PC機(jī)與單片機(jī)之間、單片機(jī)與單片機(jī)之間的遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的異步串行通信。由于RS485通訊是一種半雙工通訊，發(fā)送和接收共用同一物理信道。在任意時(shí)刻只允許一臺(tái)單機(jī)處于發(fā)送狀態(tài)。因此要求應(yīng)答的單機(jī)必須在偵聽(tīng)到總線上呼叫信號(hào)已經(jīng)發(fā)送完畢，并且沒(méi)有其它單機(jī)發(fā)出應(yīng)答信號(hào)的情況下，才能應(yīng)答。半雙工通訊對(duì)主機(jī)和從機(jī)的發(fā)送和接收時(shí)序有嚴(yán)格的要求。如果在時(shí)序上配合不好，就會(huì)發(fā)生總線沖突，使整個(gè)系統(tǒng)的通訊癱瘓，無(wú)法正常工作。對(duì)于多機(jī)通信，總線上所連接的各單機(jī)的發(fā)送控制信號(hào)在時(shí)序上應(yīng)完全隔開(kāi)，以保證發(fā)送和接收信號(hào)的完整和正確避免總線上信號(hào)的碰撞。 

3.3 基于nRF905的高頻頭的無(wú)線通信軟件設(shè)計(jì) 

由于與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號(hào)處理部分已經(jīng)嵌入在模塊內(nèi)部，高頻頭可與各種低成本單片機(jī)配合使用，也可以與DSP等高速處理器配合使用；高頻頭提供一個(gè)SPI接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定。在RX模式中，地址匹配（AM）和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒（DR）信號(hào)通知MCU一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自接收完成，微控制器即可通過(guò)SPI讀取接收的數(shù)據(jù)。在TX模式中，高頻頭自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒（DR）信號(hào)通知MCU數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。這意味著降低MCU的存儲(chǔ)器需求也就是降低MCU成本，同時(shí)縮短軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。nRF905接收模式如圖4所示，nRF905發(fā)射模式如圖5所示。 

3.3.1 配置編程 

上電以后MCU首先配置高頻頭模塊。先將PWR、TXEN、TRX_CE設(shè)為配置模式（見(jiàn)表1），MCU通過(guò)SPI將配置數(shù)據(jù)移入高頻頭模塊；在掉電和待機(jī)模式工作后，配置內(nèi)容仍然有效。配置數(shù)據(jù)只有當(dāng)電源撤除后才會(huì)丟失。 

3.3.2 發(fā)射模式 

l         當(dāng)MCU有數(shù)據(jù)需要發(fā)往規(guī)定節(jié)點(diǎn)時(shí)，接收節(jié)點(diǎn)的地址（TX-address）和有效數(shù)據(jù)（TX-payload）通過(guò)SPI接口傳送給高頻頭。應(yīng)用協(xié)議或MCU設(shè)置接口速度。                    



圖4 nRF905接收模式 

l         MCU設(shè)置TRX_CE，TXEN為高來(lái)啟動(dòng)傳輸。  

l         高頻頭內(nèi)部處理： 

（1）無(wú)線系統(tǒng)自動(dòng)上電 

（2）數(shù)據(jù)包完成（加前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼） 

（3）數(shù)據(jù)包發(fā)送（100kbps，GFSK，曼切斯特編碼） 

l         如果AUTO_RETRAN被設(shè)置為高，高頻頭將連續(xù)地發(fā)送數(shù)據(jù)包，直到TRX_CE被設(shè)置為低。 

l         當(dāng)TRX_CE被設(shè)置為低時(shí)，高頻頭結(jié)束數(shù)據(jù)傳輸并將自己設(shè)置成待機(jī)模式。 

3.3.3 接收模式 

l         通過(guò)設(shè)置TRX_CE高，TXEN低來(lái)選擇RX模式。 

l         650us以后，高頻頭監(jiān)測(cè)空中的信息。 

l         當(dāng)高頻頭發(fā)現(xiàn)和接收頻率相同的載波時(shí)，載波檢測(cè)（CD）被置高。 

l         當(dāng)高頻頭接收到有效的地址時(shí)，地址匹配（AM）被置高。 

l         當(dāng)高頻頭接收到有效的數(shù)據(jù)包（CRC校驗(yàn)正確）時(shí)，高頻頭去掉前導(dǎo)碼，地址和CRC位，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒（DR）被置高。               

l         MCU設(shè)置TRX_CE低，進(jìn)入standby模式（待機(jī)模式）。 

l         MCU可以以合適的速率通過(guò)SPI接口讀出有效數(shù)據(jù)。 

l         當(dāng)所有的有效數(shù)據(jù)被讀出后，高頻頭將AM和DR置低。 

  

4 結(jié)束語(yǔ) 

隨著信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)科學(xué)的變革和發(fā)展，無(wú)線通訊技術(shù)已經(jīng)成為一種發(fā)展趨勢(shì)在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中逐步得到應(yīng)用。無(wú)線通訊傳輸技術(shù)具有成本低、無(wú)需通訊電纜、不受應(yīng)用環(huán)境限制、組態(tài)靈活、重構(gòu)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，這就給無(wú)線通信技術(shù)帶來(lái)了很大的發(fā)展空間。本文采用了挪威Nordic VLSI公司最新推出的單片無(wú)線收發(fā)一體芯片nRF905，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出多功能無(wú)線數(shù)傳模塊。 

經(jīng)過(guò)實(shí)際檢驗(yàn)，此模塊運(yùn)行穩(wěn)定，通信可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離無(wú)線通信，PC機(jī)與單片機(jī)之間、單片機(jī)與單片機(jī)之間的遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的異步串行通信。從實(shí)用性角度考慮，可以運(yùn)用在遙控、遙測(cè)、無(wú)線抄表、門(mén)禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線標(biāo)簽、身份識(shí)別、非接觸RF、智能卡、小型無(wú)線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、信息家電等實(shí)際工作環(huán)境中。                       



圖5 nRF905發(fā)送模式 

參考文獻(xiàn) 

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