基于nRF401的通用智能無線收發(fā)裝置

　　目前，在各種儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，遙控測控系統(tǒng)中都需要嵌入無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难b置，本文介紹了一種通過單片機W77E58對無線收發(fā)芯片nRF401進行智能控制的通用無線收發(fā)裝置的設(shè)計方法，硬件電路的設(shè)計分為兩部分：無線射頻模塊的設(shè)計和控制模塊的設(shè)計。該裝置可以通過跳線的裝置選擇串口為RS232標(biāo)準(zhǔn)或TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，通過W77E58控制可以實現(xiàn)雙信道的切換，并可實現(xiàn)數(shù)據(jù)流控。

　　1 無線射頻模塊的設(shè)計

　　在本設(shè)計中，無線射頻模塊采用挪威Nordic公司推出的nRF401無線收發(fā)芯片。該芯片使用433MHz ISM頻段，是真正的單片UHF無線收發(fā)一體芯片，他在一個20腳的芯片中包括了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等，是目前集成度最高的無線數(shù)傳產(chǎn)品[1]。無線射頻模塊采用在板差分環(huán)形天線，天線端口的負(fù)載阻抗為380Ω，其電路原理見圖1，圖中列出了各外圍元件的參數(shù)，其中J1口為無線射頻模塊與控制模塊的接口。

　　硬件電路的設(shè)計要點如下：

　　（1）射頻電路對于電源噪聲相當(dāng)敏感，必須采用星形布線的方法使數(shù)字部分和RF部分有各自的電源線路，并且應(yīng)在靠近集成電路電源引腳處分別去耦[2]。

　�。�2）外接VCO電感應(yīng)選用高頻電感，Q＞45，精度為2％，本設(shè)計采用深圳順百科技有限公司的LQW18AN22NG00，電感的精度對無線通信的距離有較大的影響，也可使用精度為5％的，但通信距離會大大減小。VCO電感連線應(yīng)與其他控制線保持一定的距離，應(yīng)避免數(shù)字控制線從電感引腳之間經(jīng)過，并且應(yīng)該使VCO電感元件的中心距離nRF401的VCO1，VCO2引腳焊盤的中心5.4mm左右，電感元件的選擇與布局很重要，是設(shè)計成敗的關(guān)鍵點。



　　（3）在電路板的正反兩面均使用大面積鋪銅作為接地面，使所有的器件容易去耦，兩面的鋪銅應(yīng)使用多個過孔相連，所有對地線層的連接必須盡量短，接地過孔應(yīng)放置在非�？拷�元件的焊盤處[2]。

　　（4）天線的設(shè)計使用PCB板的環(huán)形天線，尺寸為35mm×20mm，天線增益為－11dB，天線阻抗為380Ω，天線應(yīng)位于PCB板的頂部，天線部分不要鋪銅，有關(guān)環(huán)形天線的設(shè)計可參考Nordic公司的技術(shù)文檔nAN440－03和nAN400－05。

　　（5）如果PCB板的VCO電感設(shè)計合理，當(dāng)模塊處于接收狀態(tài)時，nRF401的第4管腳電壓為1.1±0.2V。

　　2 控制模塊的設(shè)計

　　控制模塊負(fù)責(zé)對無線射頻模塊狀態(tài)切換及信道切換的控制，選用華邦單片機W77E58，控制模塊的設(shè)計分為硬件電路的設(shè)計和軟件的設(shè)計兩部分。



　　2.1 硬件電路的設(shè)計

　　W77E58速度高，工作頻率可擴展到40MHz，使用與8051/52同樣的晶振運行時間比8052快2.5倍[3]，且其片內(nèi)自帶兩個UART串口，串口0用于與外部的串口設(shè)備通信，串口1用于與無線收發(fā)模塊通信，其中J6口為控制模塊與無線射頻模塊的接口，J2口為控制模塊與外部串口設(shè)備通信的接口，可以采用簡單的三線通信方式，也可以加上流控信號CTS，通過TTL電平對Reset管腳的控制可以實現(xiàn)對智能無線數(shù)傳模塊的復(fù)位。J2口與外部串口設(shè)備可以以RS232或TTL電平的形式進行通信，通信形式的選擇通過對接口J3、J4、J5的跳線設(shè)置，MAX232及外圍的電容元件均可采用貼片器件，以縮小PCB板空間。通過P2.5，P2.6，P2.7分別對無線射頻模塊的待機狀態(tài)與工作狀態(tài)的切換，收發(fā)狀態(tài)的切換、信道的切換進行控制。

　　2.2 軟件的設(shè)計

　　W77E58片內(nèi)自帶有兩個串口，其中串口0可以使用定時器T1或定時器T2作為波特率發(fā)生器；串口1只能使用定時器T1作為其波特率發(fā)生器[4]。本設(shè)計中采用T2做為串口0的波特率發(fā)生器，采用T1做為串口1的波特率發(fā)生器，兩個串口均工作在串口模式1，波特率為9600b/s，串口0占用了第4號中斷，使用SCON，SBUF做為其串口控制寄存器和串口數(shù)據(jù)緩沖器；串口1則占用了第7號中斷，SCON1，SBUF1做為其串口控制寄存器和串口數(shù)據(jù)緩沖器。對串口的初始化函數(shù)為init_serialport()，函數(shù)定義如下：



　　在無線通信的過程中，由于外部環(huán)境的干擾，通常誤碼率比較高，即使發(fā)射方不發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方仍會經(jīng)常接收到由于外部干擾而產(chǎn)生的亂數(shù)據(jù)，為了在接收的過程中區(qū)分接收到的數(shù)據(jù)是否為有效數(shù)據(jù)，必須有一定的通信協(xié)議：

　�。�1）兩個串口的數(shù)據(jù)發(fā)送均采用查詢方式，數(shù)據(jù)接收均使用中斷方式；

　�。�2）數(shù)據(jù)幀包括幀首和數(shù)據(jù)兩部分，幀首使用雙字節(jié)0x55AA，數(shù)據(jù)部分為1B，即每幀占用3B，幀首和數(shù)據(jù)部分均采用十六進制ASCII碼傳送，確保協(xié)議的透明性；

　�。�3）接收方如果接收到0x55 0xAA字節(jié)，則說明接收到有效的數(shù)據(jù)幀，否則將該幀丟棄。

　　如果硬件電路設(shè)計合理，元器件的選擇恰當(dāng)，再加上以上簡單的通信協(xié)議，則可將誤碼率控制在0.2％以下。

　　單片機上電后，首先對系統(tǒng)和串口進行初始化，然后單片機進入待機模式，直到兩個串口中的一個發(fā)生中斷硬轉(zhuǎn)為工作模式，處理中斷程序。主要的程序代碼如下：



　　3 硬件電路的測試

　　本設(shè)計中將控制模塊和無線射頻模式分開設(shè)計，控制模塊通過一單排7腳的接口控制射頻模塊，測試的步驟如下：

　�。�1）將控制模塊和無線射頻模塊焊好，檢查確認(rèn)無虛焊、粘焊；

　�。�2）先對控制模塊上電進行測試，主要是測試控制模塊的串口0和串口1能否相互收發(fā)數(shù)據(jù)，測試方法是通過板上跳線將串口0設(shè)置為RS232標(biāo)準(zhǔn)，由于板上的串口1只有TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，必須外加電平轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)換為RS232標(biāo)準(zhǔn)，然后將兩個串口分別接到計算機的兩個串口上，將以上的程序?qū)懙絎77E58上，然后用串口測試軟件測試，如果串口0，1能相互收發(fā)數(shù)據(jù)，便可開始對無線射頻模塊進行測試；

　　（3）將無線射頻模塊的J1口與控制模塊的J6口焊接起來，上電進行測試，按照以上的程序，上電時處于接收狀態(tài)，可對TXEN，PWUP，CS等管腳進行測試，看是否與程序吻合；

　�。�4）確認(rèn)射頻模塊上電處于接收狀態(tài)后，可測試nRF401地第4管腳是否為1.1V左右，如果是，則說明VCO電感設(shè)計合理，否則要重新設(shè)計PCB板，此外，nRF401在沒有數(shù)據(jù)接收時,仍會自動從DOUT發(fā)送隨機數(shù)據(jù)，使用萬用表進行測試時該引腳電壓應(yīng)為2.5V左右[4]。如有示波器可做更詳細(xì)的測試。

　　4 結(jié)語

　　由無線收發(fā)芯片nRF401、單片機W77E58、接口芯片MAX323等組成了一個智能控制無線收發(fā)裝置，該裝置具有通用性，可嵌入到各種儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、遙控遙測系統(tǒng)中，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

作者：
謝錦沐，吳功平，蔣錫健，祝魯金（武漢大學(xué) 動力與機械學(xué)院 湖北 武漢 430072）