1 引 言
隨著計(jì)算機(jī)、通信和無線技術(shù)的逐步融合,在傳統(tǒng)的有線通信的基礎(chǔ)上,無線通信技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,他具有快捷、方便、可移動(dòng)和安全等優(yōu)勢,所以廣泛應(yīng)用到遙控玩具、汽車電子、環(huán)境監(jiān)測和電氣自動(dòng)化等。
在一些特殊應(yīng)用場合中,單片機(jī)與上位機(jī)之間通信不再采用有線的數(shù)據(jù)傳輸,例如采用有線的串、并行總線、I2C和CAN總線等,而是需要無線數(shù)據(jù)傳輸,本文介紹了基于nRF905無線收發(fā)模塊的實(shí)用單片機(jī)無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
2無線收發(fā)模塊nRF905
nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器,工作電壓為1.9~3.6 V,32引腳QFN封裝(5×5 mm),工作于433/868/915 MHz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650μs。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,ShockBurstTM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-10 dBm的輸出功率發(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,內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式,易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報(bào)警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測、家庭自動(dòng)化和玩具等諸多領(lǐng)域。
3芯片結(jié)構(gòu)及工作模式 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有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發(fā)送模式,兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE,TX_EN和PWR_UP三個(gè)引腳決定,詳見表1。
與射頻數(shù)據(jù)包有關(guān)的高速信號(hào)處理都在nRF905片內(nèi)進(jìn)行,數(shù)據(jù)速率由微控制器配置的SPI接口決定,數(shù)據(jù)在微控制器中低速處理,但在nRF905中高速發(fā)送,因此中間有很長時(shí)間的空閑,有利于節(jié)能。由于nRF905工作于ShockBurstTM模式,因此使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。在ShockBurstTM接收模式下,當(dāng)一個(gè)包含正確地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包被接收到后,地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好(DR)兩引腳通知微控制器。在ShockBurstTM發(fā)送模式,nRF905自動(dòng)產(chǎn)生字頭和CRC校驗(yàn)碼,當(dāng)發(fā)送過程完成后,數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。由以上分析可知,nRF905的ShockBurstTM收發(fā)模式有利于節(jié)約存儲(chǔ)器和微控制器資源,同時(shí)也減小了編寫程序的時(shí)間。
4器件配置
所有配置字都是通過SPI接口送給nRF905,SIP接口的工作方式可通過SPI指令進(jìn)行設(shè)置,當(dāng)nRF905處于空閑模式或關(guān)機(jī)模式時(shí),SPI接口可以保持在工作狀態(tài)。
(1)SPI接口配置
SPI接口由狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器5個(gè)寄存器組成。
(2)射頻配置
設(shè)CH_NO中的值為a,HFREQ_PLL中的值為b,則nRF905的工作頻率由公式:
所決定。若nRF905的工作頻率取433.20 MHz,則口a=108,b=0。
射頻寄存器的各位的長度是固定的。然而,在Shock-BurstTM收發(fā)過程中,TX_PAYLOAD,RX_PAYLOAD,TX_ADDRESS和RX_ADDRESS 4個(gè)寄存器使用字節(jié)數(shù)由配置字決定。nRF905進(jìn)入關(guān)機(jī)模式或空閑模式時(shí),寄存器中的內(nèi)容保持不變。
5電路設(shè)計(jì)
nRF905在使用中,根據(jù)不同需要,其電路圖不盡相同,圖1所示為其應(yīng)用原理圖,該電路天線部分使用的是50 Ω單端天線。在nRF905的電路板設(shè)計(jì)中,也可以使用環(huán)形天線,把天線布在PCB板上,這可減小系統(tǒng)的體積。更詳細(xì)的設(shè)計(jì)可參考nRF905的芯片手冊。
nRF905通過SPI接口和微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送,通過ShockBurstTM收發(fā)模式進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送,收發(fā)可靠,使用方便,在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等各個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。
6程序流程
系統(tǒng)采用了一種應(yīng)用最廣泛的單片機(jī)AT89S52為數(shù)據(jù)處理部分。具體的讀、發(fā)程序流程如圖2,圖3所示。
7配置程序
對(duì)于射頻芯片nRF905的寄存器操作是個(gè)很關(guān)鍵的問題。由于采用了SPI協(xié)議,在配置寄存器過程應(yīng)用指令及Pl中模擬時(shí)鐘上升沿時(shí),很容易出現(xiàn)移錯(cuò)位及時(shí)鐘上升沿?zé)o效的情況。SPI接口有4個(gè)信號(hào)線:MOSI,MISO,SCK,CSN,分別為輸入線、輸出線、時(shí)鐘線、配置使能線。SPI的通信時(shí)序如圖4所示。
8系統(tǒng)的參數(shù)測量
無線通信在自由空間中傳播距離的計(jì)算方法:所謂自由空間傳播系指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播,他是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時(shí),其能量既不會(huì)被障礙物所吸收,也不會(huì)產(chǎn)生反射或散射。
通信距離與發(fā)射功率、接收靈敏度和工作頻率有關(guān):
式中Lfs(單位:dB)為傳輸損耗,d(單位:km)為傳輸距離,頻率f的單位以MHz計(jì)算。由上式可見,自由空間中電波傳播損耗(亦稱衰減)只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān),當(dāng)f或d增大一倍時(shí),[Lfs]將分別增加6 dB。
下面的公式說明在自由空間下電波傳播的損耗:
Los是傳播損耗,單位為dB;d是距離,單位是km;f是工作頻率,單位是MHz。
本系統(tǒng)的無線收發(fā)模塊nRF905選擇工作在第一頻道為433.2 MHz,發(fā)射功率為+10 dBm(10 mW),接收靈敏度為-105 dBm的系統(tǒng)在自由空間的傳播距離:
(1)由發(fā)射功率+10 dBm,接收靈敏度為-105 dBm:
Los=115 dB
(2)由Los,f計(jì)算得出:
d=31 km
這是理想狀況下的傳輸距離,實(shí)際的應(yīng)用中會(huì)低于該值,這是因?yàn)闊o線通信要受到各種外界因素的影響,如大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗,將上述損耗的參考值計(jì)入上式中,即可計(jì)算出近似通信距離。
假定大氣、遮擋等造成的損耗為25 dB,可以計(jì)算得出通信距離為:
d=1.7 km=1 700 m
9影響無線通信距離的主要因素
圖6是一個(gè)無線通信系統(tǒng)的信道模型,在工作頻率固定的前提下,影響工作距離的主要因素包括發(fā)射功率、發(fā)射天線增益、傳播損耗、接收天線增益、接收機(jī)靈敏度等,通過加大發(fā)射功率,提高天線增益,提高接收機(jī)靈敏度均起到提高通信距離的作用,在影響無線通信距離的以上幾個(gè)因素中,作為設(shè)計(jì)者可以控制的因素有:接收靈敏度、RX一天線增益、發(fā)射輸出功率。不能控制的因素是由無線電波的特點(diǎn)所決定的,主要有:傳輸損耗、路徑損耗、多徑損耗、周圍環(huán)境的吸收。
在設(shè)計(jì)者可以控制的因素中,接收靈敏度、天線增益、發(fā)射功率都是可以作為提高通信距離的手段。
無線傳輸系統(tǒng)具有體積小、抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)安全可靠、無需布線、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),將會(huì)在各領(lǐng)域中帶來廣泛的市場。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,但這并沒有影響系統(tǒng)的性能和用途。他可應(yīng)用到遙控、遙測、汽車電子、安全防火、生物信號(hào)采集、環(huán)境監(jiān)測和電氣自動(dòng)化等領(lǐng)域。
作者:陳 嬋,陳可中(中國鐵通集團(tuán)有限公司 南寧分公司 廣西 南寧 530001)
來源:《現(xiàn)代電子技術(shù)》