基于nRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備設(shè)計(jì)

引言

無線通信在機(jī)動(dòng)性要求較強(qiáng)的設(shè)備中或人們不方便隨時(shí)到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)的條件下得到了越來越廣泛的應(yīng)用，如無線數(shù)據(jù)采集、無線設(shè)備管理和監(jiān)控、汽車儀表數(shù)據(jù)的無線讀取等都是其典型應(yīng)用。微功率短距離無線通信技術(shù)作為無線通信實(shí)用技術(shù)，一般使用單片射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線通信模塊，通常射頻芯片采用GFSK(高斯頻移鍵控)調(diào)制方式，工作于ISM(工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療)頻段，通信模塊包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，用戶不必對(duì)無線通信原理和工作機(jī)制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能，因其功率小、開發(fā)簡單快速而在工業(yè)、民用等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文介紹利用ATmega16單片機(jī)和無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片nRF905構(gòu)成的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，給出了硬件和軟件設(shè)計(jì)方案。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由外部數(shù)據(jù)設(shè)備和無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成，外部數(shù)據(jù)設(shè)備為PC機(jī)或數(shù)據(jù)采集等設(shè)備，我們?cè)O(shè)計(jì)的主要是無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊基于微功耗單片射頻收發(fā)器nRF905設(shè)計(jì)，采用Atmel公司的高性能、低功耗8位處理器ATmega16為主處理芯片，完成數(shù)據(jù)的處理和控制。

1.2 ATmega16和nRF905

Atmel公司的ATmega16單片機(jī)具有先進(jìn)的RISC(精簡指令集計(jì)算機(jī))結(jié)構(gòu)、非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，16 kB可編程Flash存儲(chǔ)器、512 B的EEPROM和1 kB片內(nèi)SRAM，具有豐富的外設(shè)接口，其USART(通用同步和異步接收器和轉(zhuǎn)發(fā)器)是一個(gè)高度靈活的串行通信設(shè)備，SPI(串行外設(shè)接口)允許ATmega16與外設(shè)或其他AVR器件進(jìn)行高速的同步數(shù)據(jù)傳輸。

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 V～3.6 V，工作于433／868／915 MHz這3個(gè)ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650μs，最大數(shù)據(jù)速率為100 kbit／s。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和GFSK調(diào)制器組成，不需外加聲表面濾波器，ShockBurstTM工作模式，自動(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余檢驗(yàn))，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗很低，以-10 dBm輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5 mA，具有窄閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)功率管理。

1.3 硬件電路

硬件電路主要由電源與復(fù)位電路、外部數(shù)據(jù)設(shè)備接口電路、單片機(jī)系統(tǒng)和nRF905應(yīng)用電路等幾部分組成。硬件電路如圖2所示。

1.3.1 電源與復(fù)位電路

nRF905和單片機(jī)的典型工作電壓為+3.3 V，而系統(tǒng)供電電源為+5V，所以采用低壓差線性穩(wěn)壓器TPS7333實(shí)現(xiàn)+5 V～+3.3 V的線性穩(wěn)壓。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠的復(fù)位，使用低電壓工作的復(fù)位芯片TPS70733產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。

1.3.2 外部數(shù)據(jù)設(shè)備接口

無線數(shù)據(jù)傳輸模塊與外部數(shù)據(jù)設(shè)備之間采用RS-232接口，ATmega16的PD0-PD1用于連接RS-232串口。通常，PC機(jī)與單片機(jī)用兩根線方式進(jìn)行全雙工異步通信。由于AVR單片機(jī)輸人輸出為TTL電平，PC機(jī)配置的是RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口，二者電氣規(guī)范不一致，因此，使用ICL3221收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)串口電平轉(zhuǎn)換。

數(shù)據(jù)傳輸速率在板可設(shè)置或通過外部數(shù)據(jù)設(shè)備設(shè)置。在板波特率利用ATmega16的PA7、PA6兩位設(shè)置，可設(shè)置為9.6kbit／s、19.2 kbit／s、38.4kbit／s、115.2 kbit／s。利用外部數(shù)據(jù)設(shè)備設(shè)置波特率時(shí)，單片機(jī)的初始數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6 kbit／s，PA7、PA6置為00狀態(tài)，當(dāng)單片機(jī)收到波特率沒置命令后，數(shù)據(jù)傳輸速率調(diào)整為設(shè)定值。

1.3.3 單片機(jī)與nRF905接口電路

單片機(jī)與nRF905的接口電路很最要。nRF905內(nèi)部有5個(gè)寄存器：狀態(tài)寄存器、配置寄存器、發(fā)射地址寄存器、發(fā)射數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器。除了對(duì)寄存器讀寫外，還需對(duì)nRF905工作模式的切換進(jìn)行控制。單片機(jī)與nRF905的信號(hào)連接見圖3。

ATmega16與nRF905之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸使用SPI接口，單片機(jī)的PB7-PB4連接nRF905的SPI接口，PD2-PD7連接nRF905的控制信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)，用于nRF905的模式切換以及通信過程中必須的信號(hào)指示接口。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)傳輸過程

PC機(jī)(或其他外部設(shè)備)有數(shù)據(jù)傳輸或需設(shè)置設(shè)備參數(shù)時(shí)，通過串口將數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)接收數(shù)據(jù)后，將需發(fā)送的數(shù)據(jù)(這里包括目標(biāo)設(shè)備地址和所要發(fā)送的數(shù)據(jù))通過SPI接口發(fā)送給nRF905，nRF905將數(shù)據(jù)加前導(dǎo)碼和CRC碼，將數(shù)據(jù)包發(fā)送。

當(dāng)nRF905接收到有效數(shù)據(jù)后，DR置高，單片機(jī)檢測(cè)到DR為高電平后，復(fù)位TRX_CE引腳，使nRF905進(jìn)入空閑模式，通過SPI接口從nRF905中讀出接收數(shù)據(jù)，然后通過USART傳送給PC機(jī)或其他外部沒備。

軟件功能模塊由CPU寄存器初始化、串行口初始化、串口收發(fā)送程序、SPI初始化、SPI收發(fā)送程序、I／O口初始化、nRF905配置寄存器操作、nRF905接收程序、發(fā)送程序、主程序模塊組成。下面簡要介紹主要的軟件功能模塊。

2.2 USART串口軟件設(shè)計(jì)

AVR USART與AVR UART在寄存器位定義、波特率發(fā)生器、發(fā)送器操作、發(fā)送緩沖器的功能以及接收器操作等方面完全兼容，此外，接收緩沖器進(jìn)行了兩方面改進(jìn)：增加了一個(gè)緩沖器；接收移位寄存器可以作為第3級(jí)緩沖。

2.2.1 串口數(shù)據(jù)幀格式

外部數(shù)據(jù)設(shè)備與無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備間的雙向數(shù)據(jù)傳輸使用相同的幀格式，幀格式由幀頭、幀長、幀標(biāo)志和數(shù)據(jù)組成。幀頭為數(shù)據(jù)幀開始標(biāo)志，固定為0FF81H，長度2字節(jié)。幀長指從幀標(biāo)志開始至本幀結(jié)束的所有數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，不包括幀頭、幀長本身，單位為字節(jié)，幀長占1字節(jié)。幀標(biāo)志用以指示本幀數(shù)據(jù)的內(nèi)容屬性，長度為1字節(jié)。不同類型幀的數(shù)據(jù)長度和幀標(biāo)志具體定義如表1所示。

數(shù)據(jù)指所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)等內(nèi)容，數(shù)據(jù)長度見表1，數(shù)據(jù)內(nèi)容定義如下：

a) 波特率設(shè)置：01H～0AH對(duì)應(yīng)波特率(單位為kbit／s)為2.4、4.8、9.6、14.4、19.2、28.8、38.4、57.6、76.8、115.2。

b) 設(shè)備地址設(shè)置：設(shè)備地址為00000000H～FFFFFFFFH。

c) 發(fā)射功率：00H為低功率；01H為高功率。

d) 工作頻率：433 MHz頻段，信道間隔100 kHz。

e) 發(fā)送數(shù)據(jù)：發(fā)送數(shù)據(jù)長度不定，最長不超過254字節(jié)。

2.2.2 USART初始化

初始化USART操作包括波特率設(shè)置、數(shù)據(jù)格式和UCSRB寄存器設(shè)置。USART的波特率寄存器UBRR和降序計(jì)數(shù)器相連接，一起構(gòu)成可編程的預(yù)分頻器或波特率發(fā)生器。UBRR值的計(jì)算由該公式完成：UBRR=fosc／(16baud)-1，其中Baud為波特率，fosc為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。通過設(shè)置UCSRC寄存器，設(shè)置數(shù)據(jù)格式為8位數(shù)據(jù)位和1位停止位。通過設(shè)置UCSRB寄存器，使能串口發(fā)送和接收，并響應(yīng)接收完成中斷。

2.2.3 數(shù)據(jù)發(fā)送和接收

數(shù)據(jù)發(fā)送采用查詢方式。置位UCSRB寄存器的發(fā)送允許位TXEN將使能USART的數(shù)據(jù)發(fā)送，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)加載到發(fā)送緩沖區(qū)將啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送，加載過程為CPU對(duì)UDR寄存器的寫操作。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，按照幀格式在所需發(fā)送的數(shù)據(jù)前加上幀頭、幀長、幀標(biāo)志組幀發(fā)送。

數(shù)據(jù)接收采用中斷方式。置位UCSRB寄存器的接收允許位RXEN將啟動(dòng)USART的數(shù)據(jù)接收器，通過讀取UDR寄存器就可以獲得接收緩沖器的內(nèi)容。接收數(shù)據(jù)時(shí)，幀標(biāo)志有效才能開始接收一幀數(shù)據(jù)，并根據(jù)讀出的幀長信息完成接收規(guī)定長度的數(shù)據(jù)。

2.3 SPI接口軟件設(shè)汁

本設(shè)計(jì)中SPI配置為主機(jī)模式，nRF905為從設(shè)備。SPI波特率最高可設(shè)置為1／2系統(tǒng)時(shí)鐘，系統(tǒng)時(shí)鐘為8 MHz，因此SPI速率可達(dá)4 MHz。此外，正確選擇SPI的工作模式對(duì)SPI數(shù)據(jù)傳輸非常重要，AT-mega16的SCK的相位和極性有4種組合，SPI工作模式由CPOL、CPHA設(shè)置，根據(jù)nRF905的SPI讀寫時(shí)序，ATmega16的SPI工作模式應(yīng)設(shè)置為模式0。

ATmega16與nRF905同時(shí)進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)傳輸。ATmega16配置為SPI主機(jī)時(shí)，SPI接口不自動(dòng)控制SS引腳，由用戶軟件來控制。ATmega16通過將從機(jī)的CSN引腳置低實(shí)現(xiàn)與從機(jī)的同步。SPI時(shí)鐘由寫入到SPI發(fā)送緩沖寄存器的數(shù)據(jù)啟動(dòng)，SPI MOSI引腳上的數(shù)據(jù)發(fā)送次序由寄存器SPCR的DORD位控制，置位時(shí)數(shù)據(jù)的LSB(最低位)首先發(fā)送，否則數(shù)據(jù)的MSB(最高位)首先發(fā)送。我們選擇先發(fā)送MSB，同時(shí)接收到的數(shù)據(jù)傳送到接收緩沖寄存器，CPU進(jìn)行右對(duì)齊從接收緩沖器中讀取接收到的數(shù)據(jù)。應(yīng)該注意，當(dāng)需要從nRF905中讀取多個(gè)數(shù)據(jù)時(shí)，即使nRF905并不需要ATmega16串行輸出的數(shù)據(jù)，每讀取一個(gè)數(shù)據(jù)前都要向SPI發(fā)送緩沖器寫一個(gè)數(shù)據(jù)以啟動(dòng)SPI接口時(shí)鐘。由于SPI系統(tǒng)的發(fā)送方向只有1個(gè)緩沖器，而在接收方向有2個(gè)緩沖器，所以在發(fā)送時(shí)一定要等到移位過程全部結(jié)束后，才能對(duì)SPI數(shù)據(jù)寄存器執(zhí)行寫操作；而在接收數(shù)據(jù)時(shí)，需要在下一個(gè)字節(jié)移位過程結(jié)束之前通過訪問SPI數(shù)據(jù)寄存器讀取當(dāng)前接收到的數(shù)據(jù)，否則第1個(gè)數(shù)據(jù)丟失。

2.4 nRF905配置及收發(fā)流程

對(duì)nRF905寄存器的操作是一個(gè)很關(guān)鍵的問題，nRF905的所有配置都是通過SPI接口進(jìn)行的。nRF905的SPI接口只有在掉電模式和standby模式是激活的。當(dāng)CSN為低時(shí)，SPI接口開始等待一條指令，任何一條新指令均由CSN由高到低的轉(zhuǎn)換開始。

nRF905發(fā)送模式工作過程如下：

a) 當(dāng)ATmega16發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將接收設(shè)備地址和所要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過SPI接口寫入nRF905，SPI傳輸速率由初始化設(shè)置。

b) 置位TRX_CE、TX_EN，激活nRF905發(fā)送模式。

c) nRF905自動(dòng)完成數(shù)據(jù)打包(加入前導(dǎo)碼和CRC)，包經(jīng)過GFSK調(diào)制以100 kbit／s發(fā)送，當(dāng)傳輸完畢DR置位。

d) 如果將AUTO_RETRAN位置高，nRF905將連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)包，直至將TRX_CE引腳復(fù)位。

e) 當(dāng)TRX_CE引腳被設(shè)置為低時(shí)，nRF905結(jié)束發(fā)送模式，并進(jìn)入standby模式。

nRF905接收模式工作過程如下：

a) 將TRX_CE置位，TX_EN復(fù)位后650μs，nRF005進(jìn)入接收模式等待數(shù)據(jù)到來。

b) 當(dāng)nRF905在接收信號(hào)檢測(cè)到載波，則CD(carrier detect)引腳置位；然后，如果接收到有效地址則AM(address match)置位，最后將接收到的有效數(shù)據(jù)包去掉前導(dǎo)碼、地址，CRC正確后，將DR(data ready)引腳置位。

c) CPU復(fù)位TRX_CE引腳，使nRF905進(jìn)入空閑模式，然后通過SPI接口讀取數(shù)據(jù)。

d) 數(shù)據(jù)接收完畢后，nRF905 DR和AM引腳復(fù)位并準(zhǔn)備進(jìn)入下一個(gè)工作模式。

應(yīng)該注意的是，在數(shù)據(jù)發(fā)送過程中無論將TRX_CE、TX_EN怎樣設(shè)置，nRF905都會(huì)完成此次發(fā)送而不受影響，此后，進(jìn)八所設(shè)置的工作模式。而在接收數(shù)據(jù)包的過程中TRX_CE或TX_EN狀態(tài)改變，則nRF905會(huì)立即改變工作模式，丟失數(shù)據(jù)。

2.5 主程序流程

主程序流程圖如圖4所示。

3 結(jié)束語

我們采用 nRF905射頻收發(fā)芯片和ATmega16微控制器設(shè)計(jì)了短距離無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，完成硬件電路和系統(tǒng)軟件調(diào)試后，進(jìn)行了無線數(shù)據(jù)收發(fā)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在300 m通信距離，該無線傳輸設(shè)備工作穩(wěn)定，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速有效傳輸，具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

作者：李鵬，呂 亮，謝仁宏(南京理工大學(xué)通信工程系，江蘇 來源：《電子工程師》