基于nrf401的通用智能無(wú)線收發(fā)裝置

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1、基于nRF401的通用智能無(wú)線收發(fā)裝置謝錦沐，吳功平，蔣錫健，祝魯金（武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院湖北武漢430072）目前，在各種儀器儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，遙控測(cè)控系統(tǒng)中都需要嵌入無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)难b置，本文介紹了一種通過(guò)單片機(jī)W77E58對(duì)無(wú)線收發(fā)芯片nRF401進(jìn)行智能控制的通用無(wú)線收發(fā)裝置的設(shè)計(jì)方法，硬件電路的設(shè)計(jì)分為兩部分：無(wú)線射頻模塊的設(shè)計(jì)和控制模塊的設(shè)計(jì)。該裝置可以通過(guò)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(guò)W77E58控制可以實(shí)現(xiàn)雙信道的切換，并可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流控。1無(wú)線射頻模塊的設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，無(wú)線射頻模塊采用挪威Nordic公司推出的nRF401

2、無(wú)線收發(fā)芯片。該芯片使用433MHzISM頻段，是真正的單片UHF無(wú)線收發(fā)一體芯片，他在一個(gè)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(wú)線數(shù)傳產(chǎn)品[1]。無(wú)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(wú)線射頻模塊與控制模塊的接口。硬件電路的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：（1）射頻電路對(duì)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

3、感，Q＞45，精度為2％，本設(shè)計(jì)采用深圳順百科技有限公司的LQW18AN22NG00，電感的精度對(duì)無(wú)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(huì)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(guò)，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(jì)成敗的關(guān)鍵點(diǎn)。（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(gè)過(guò)孔相連，所有對(duì)地線層的連接必須盡量短，接地過(guò)孔應(yīng)放置在非?？拷暮副P處[2]

4、。（4）天線的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)合理，當(dāng)模塊處于接收狀態(tài)時(shí)，nRF401的第4管腳電壓為1.1±0.2V。2控制模塊的設(shè)計(jì)控制模塊負(fù)責(zé)對(duì)無(wú)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(jī)W77E58，控制模塊的設(shè)計(jì)分為硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)兩部分。2.1硬件電路的設(shè)計(jì)W77E58速度高，工作頻率可擴(kuò)展到40MHz，使

5、用與8051/52同樣的晶振運(yùn)行時(shí)間比8052快2.5倍[3]，且其片內(nèi)自帶兩個(gè)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(wú)線收發(fā)模塊通信，其中J6口為控制模塊與無(wú)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(jiǎn)單的三線通信方式，也可以加上流控信號(hào)CTS，通過(guò)TTL電平對(duì)Reset管腳的控制可以實(shí)現(xiàn)對(duì)智能無(wú)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(jìn)行通信，通信形式的選擇通過(guò)對(duì)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(guò)P2.5，P2.6，

6、P2.7分別對(duì)無(wú)線射頻模塊的待機(jī)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(jìn)行控制。2.2軟件的設(shè)計(jì)W77E58片內(nèi)自帶有兩個(gè)串口，其中串口0可以使用定時(shí)器T1或定時(shí)器T2作為波特率發(fā)生器；串口1只能使用定時(shí)器T1作為其波特率發(fā)生器[4]。本設(shè)計(jì)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(gè)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(hào)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(hào)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(duì)串口的初始化函數(shù)為ini

7、t_serialport()，函數(shù)定義如下：在無(wú)線通信的過(guò)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(huì)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(guò)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(gè)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(jìn)制ASCII碼傳送，確保協(xié)議的透明性；（3）接收方如果接收到0x550xAA字節(jié)，則說(shuō)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(jì)合

8、理，元器件