基于nRF905無線數傳模塊的設計及其實現

1 引言  

當代科學技術日益向高速化、智能化、信息化、網絡化發展，各種各樣的制造業和通信業設備除了可以與計算機聯機外，還可以互相聯機，而實現設備間相互聯機的最具發展潛力的方式就是無線通信。與有線通信方式相比，無線通信具有一系列優點，特別適用于手持現場設備、電池供電設備、遙控遙測設備、水文氣象監控設備、生物信號采集系統、工業數據采集系統等。在上述無線通信技術應用實際中，無線通信協議起著至關重要的作用，直接關系到無線通信系統的安全性和誤碼率以及系統運行的速度。本文基于挪威Nordic VLSI公司最新推出的單片無線收發一體芯片nRF905設計出多功能無線數傳模塊：具有標準RS232C和RS485接口通信模塊，設計的多功能無線數傳模塊由基于nRF905的高頻頭和標準通信接口模塊組成。 

2 硬件設計 

2.1 高頻頭設計 

2.1.1 nRF905 簡介 

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器，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ISM(工業、科學和醫學)頻道，頻道之間的轉換時間小于650us。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，不需外加聲表濾波器， ShockBurst工作模式，自動處理字頭和CRC(循環冗余碼校驗)，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的輸出功率發射時電流只有11mA，工作于接收模式時的電流為12.5mA，內建空閑模式與關機模式，易于實現節能。nRF905適用于無線數據通信、無線報警及安全系統、無線開鎖、無線監測、家庭自動化和玩具等諸多領域。 

nRF905片內集成了電源管理、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/解碼由片內硬件完成，無需用戶對數據進行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。nRF905的詳細結 構如圖1所示，以及管腳功能如表1所示。 



圖1  nRF905結構圖                              



圖2 由nRF905組成的高頻頭用戶接口 

2.1.2 高頻頭用戶接口設計

 圖2中給出了由nRF905組成的高頻頭用戶接口，該接口由10個數字輸入/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；待機和SPI編程模式；發射模式；接收模式，各種模式的控制模式見下表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	待機和SPI編程模式
1	1	0	接收
1	1	1	發射

 SPI接口由SCK、MISO、MOSI以及CSN組成。 

（1）在配置模式下單片機通過SPI接口配置高頻頭的工作參數； 

（2）在發射/接收模式下單片機SPI接口發送和接收數據。 

l         狀態輸出接口 

提供載波檢測輸出CD，地址匹配輸出AM，數據就緒輸出DR。 

2.2 標準通信接口模塊 

標準通信接口模塊主要由三部分組成：標準RS232C接口模塊；標準RS485接口模塊；無線通信接口模塊。標準RS232C接口模塊，采用MAXIM公司生產的MAX232A芯片將微處理器（MCU）的TTL電平與PC機串口標準RS232C電平進行相互轉換。標準RS485接口模塊采用Motorola公司生產的MC3486和MC3487電平轉換芯片實現TTL電平與RS485電平的轉換。無線通信接口模塊采用Philips公司生產的74LVC4245A電平轉換芯片實現3V與5V電平轉換，可以實現MCU與nRF905之間的雙向數據通信。其工作原理為：根據事先設定的通信協議，MCU通過設定74LVC4245A的DIR引腳為高和低電平，可以分別實現數據由MCU到nRF905的傳輸（即5V轉換為3V）和nRF905到MCU的傳輸（即3V轉換為5V）。 

3 軟件設計 

3.1 RS232接口通信軟件設計 

在本設計中PC機發送字符與接受字符均采用查詢方式，發送前先讀取通信或狀態寄存器，查詢發送保持寄存器是否為空；接收前先讀取通信或狀態寄存器，查詢一幀據是否收完。從機采用中斷方式，即接受到地址幀后就進行串行口中斷申請，CPU響應后，進入中斷服務程序。 

PC機通訊程序用Visual Basic開發。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程的低層操作。只需設置MSComm 控件的相應屬性，調用控件相應方法和事件，按照通訊協議要求發出命令號，下位機完成相應功能，便能實現數據通訊。 

3.2 RS485接口通信軟件設計 

利用RS485接口可以實現 PC機與單片機之間、單片機與單片機之間的遠距離點對點和點對多點的異步串行通信。由于RS485通訊是一種半雙工通訊，發送和接收共用同一物理信道。在任意時刻只允許一臺單機處于發送狀態。因此要求應答的單機必須在偵聽到總線上呼叫信號已經發送完畢，并且沒有其它單機發出應答信號的情況下，才能應答。半雙工通訊對主機和從機的發送和接收時序有嚴格的要求。如果在時序上配合不好，就會發生總線沖突，使整個系統的通訊癱瘓，無法正常工作。對于多機通信，總線上所連接的各單機的發送控制信號在時序上應完全隔開，以保證發送和接收信號的完整和正確避免總線上信號的碰撞。 

3.3 基于nRF905的高頻頭的無線通信軟件設計 

由于與RF協議相關的高速信號處理部分已經嵌入在模塊內部，高頻頭可與各種低成本單片機配合使用，也可以與DSP等高速處理器配合使用；高頻頭提供一個SPI接口，速率由微控制器自己設定的接口速度決定。在RX模式中，地址匹配（AM）和數據準備就緒（DR）信號通知MCU一個有效的地址和數據包已經各自接收完成，微控制器即可通過SPI讀取接收的數據。在TX模式中，高頻頭自動產生前導碼和CRC校驗碼，數據準備就緒（DR）信號通知MCU數據傳輸已經完成。這意味著降低MCU的存儲器需求也就是降低MCU成本，同時縮短軟件開發時間。nRF905接收模式如圖4所示，nRF905發射模式如圖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設為配置模式（見表1），MCU通過SPI將配置數據移入高頻頭模塊；在掉電和待機模式工作后，配置內容仍然有效。配置數據只有當電源撤除后才會丟失。 

3.3.2 發射模式 

l         當MCU有數據需要發往規定節點時，接收節點的地址（TX-address）和有效數據（TX-payload）通過SPI接口傳送給高頻頭。應用協議或MCU設置接口速度。                    



圖4 nRF905接收模式 

l         MCU設置TRX_CE，TXEN為高來啟動傳輸。  

l         高頻頭內部處理： 

（1）無線系統自動上電 

（2）數據包完成（加前導碼和CRC校驗碼） 

（3）數據包發送（100kbps，GFSK，曼切斯特編碼） 

l         如果AUTO_RETRAN被設置為高，高頻頭將連續地發送數據包，直到TRX_CE被設置為低。 

l         當TRX_CE被設置為低時，高頻頭結束數據傳輸并將自己設置成待機模式。 

3.3.3 接收模式 

l         通過設置TRX_CE高，TXEN低來選擇RX模式。 

l         650us以后，高頻頭監測空中的信息。 

l         當高頻頭發現和接收頻率相同的載波時，載波檢測（CD）被置高。 

l         當高頻頭接收到有效的地址時，地址匹配（AM）被置高。 

l         當高頻頭接收到有效的數據包（CRC校驗正確）時，高頻頭去掉前導碼，地址和CRC位，數據準備就緒（DR）被置高。               

l         MCU設置TRX_CE低，進入standby模式（待機模式）。 

l         MCU可以以合適的速率通過SPI接口讀出有效數據。 

l         當所有的有效數據被讀出后，高頻頭將AM和DR置低。 

  

4 結束語 

隨著信息技術和計算機科學的變革和發展，無線通訊技術已經成為一種發展趨勢在各個領域當中逐步得到應用。無線通訊傳輸技術具有成本低、無需通訊電纜、不受應用環境限制、組態靈活、重構性強等優點，這就給無線通信技術帶來了很大的發展空間。本文采用了挪威Nordic VLSI公司最新推出的單片無線收發一體芯片nRF905，并在此基礎上設計出多功能無線數傳模塊。 

經過實際檢驗，此模塊運行穩定，通信可靠，能夠實現遠距離無線通信，PC機與單片機之間、單片機與單片機之間的遠距離點對點和點對多點的異步串行通信。從實用性角度考慮，可以運用在遙控、遙測、無線抄表、門禁系統、小區傳呼、工業數據采集系統、無線標簽、身份識別、非接觸RF、智能卡、小型無線數據終端、安全防火系統、無線遙控系統、生物信號采集、水文氣象監控、機器人控制、信息家電等實際工作環境中。                       



圖5 nRF905發送模式 

參考文獻 

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