单片机的无线数据传输系统设计

摘 要：随着科学技术突飞的发展，无线化已经成为电子技术的一个重要发展方向。简要介绍了无线通信基础知识，接着对组成系统的每个功能模块进行拆分设计，并对射频芯片nRF905的结构和工作原理作了简要的介绍，开发了硬件电路、外围工艺和数据无线收发程序。最后对数据无线传输距离进行理论计算和分析。

关键词：无线传输;nRF905;单片机

中图分类号：TN92 文献标识码：B

文章编号：1004373X(2008)0504003

Design of Wireless Data Transport System of a Single Chip Microcomputer

CHENChan,CHEN Kezhong

(NanningBranch,China Tietong Telecommunications Co.Ltd.,Nanning,530001,China)

Abstract：Along with the development of science,the wireless technique has already been an important development derection of electronics technique.This design introducesfoundation knowledge of the wireless didital design which constitutes each piece of function of the system,and introduces the structure and the work principles of the main component of the radio frequency chip nRF905.The development includes the hardware electric circuit,the outer circle craft and the procedure of the data wireless to receive and dispatch.Finally carrying on the theories calculation and analysis on the diagraph.

Keywords：wireless transport;nRF905;single chip microcomputer

1 引 言

随着计算机、通信和无线技术的逐步融合，在传统的有线通信的基础上，无线通信技术应运而生，他具有快捷、方便、可移动和安全等优势，所以广泛应用到遥控玩具、汽车电子、环境监测和电气自动化等。

在一些特殊应用场合中，单片机与上位机之间通信不再采用有线的数据传输，例如采用有线的串、并行总线、I2C和CAN总线等，而是需要无线数据传输，本文介绍了基于nRF905无线收发模块的实用单片机无线传输系统的设计。

2 无线收发模块nRF905

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1-9～3-6 V，32引脚QFN封装(5×5 mm)，工作于433/868/915 MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650 μs。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器， ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA，工作于接收模式时的电流为12-5 mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。

3 芯片结构及工作模式

nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。

nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是ShockBurstTM 接收模式和ShockBurstTM 发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nRF905的工作模式由TRX[CD#*2]CE,TX[CD#*2]EN和PWR[CD#*2]UP三个引脚决定，详见表1。

与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行，数据速率由微控制器配置的SPI接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在nRF905中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，有利于节能。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频数据发射速率。在ShockBurstTM接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。在ShockBurstTM 发送模式，nRF905自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知，nRF905的ShockBurstTM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。

4 器件配置

所有配置字都是通过SPI接口送给nRF905,SIP接口的工作方式可通过SPI指令进行设置,当nRF905处于空闲模式或关机模式时，SPI接口可以保持在工作状态。

(1) SPI接口配置

SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。

(2) 射频配置

设CH[CD#*2]NO中的值为a,HFREQ[CD#*2]PLL中的值为b,则nRF905的工作频率由公式:

5 电路设计

nRF905在使用中，根据不同需要，其电路图不尽相同，图1所示为其应用原理图，该电路天线部分使用的是50 Ω单端天线。在nRF905的电路板设计中，也可以使用环形天线，把天线布在PCB板上，这可减小系统的体积。更详细的设计可参考nRF905的芯片手册。

nRF905通过SPI接口和微控制器进行数据传送，通过ShockBurstTM 收发模式进行无线数据发送，收发可靠，使用方便，在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。

6 程序流程

系统采用了一种应用最广泛的单片机AT89S52为数据处理部分。具体的读、发程序流程如图2，图3所示。

7 配置程序

对于射频芯片nRF905的寄存器操作是个很关键的问题。由于采用了SPI协议，在配置寄存器过程应用指令及Pl中模拟时钟上升沿时，很容易出现移错位及时钟上升沿无效的情况。SPI接口有4个信号线：MOSI,MISO,SCK,CSN，分别为输入线、输出线、时钟线、配置使能线。SPI的通信时序如图4所示。

8 系统的参数测量

无线通信在自由空间中传播距离的计算方法：所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，他是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。

通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关:

os是传播损耗，单位为dB；d是距离，单位是km；f是工作频率，单位是MHz。

本系统的无线收发模块nRF905选择工作在第一频道为433-2 MHz，发射功率为＋10 dBm(10 mW)，接收灵敏度为-105 dBm的系统在自由空间的传播距离：

(1) 由发射功率+10 dBm，接收灵敏度为-105 dBm:

这是理想状况下的传输距离，实际的应用中会低于该值，这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，将上述损耗的参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。

假定大气、遮挡等造成的损耗为25 dB，可以计算得出通信距离为：

d=1-7 km=1 700 m

9 影响无线通信距离的主要因素

图6是一个无线通信系统的信道模型，在工作频率固

定的前提下，影响工作距离的主要因素包括发射功率、发射天线增益、传播损耗、接收天线增益、接收机灵敏度等，通过加大发射功率，提高天线增益，提高接收机灵敏度均起到提高通信距离的作用，在影响无线通信距离的以上几个因素中，作为设计者可以控制的因素有: 接收灵敏度、RX一天线增益、发射输出功率。不能控制的因素是由无线电波的特点所决定的，主要有: 传输损耗、路径损耗、多径损耗、周围环境的吸收。

在设计者可以控制的因素中，接收灵敏度、天线增益、发射功率都是可以作为提高通信距离的手段。

无线传输系统具有体积小、抗干扰能力强、数据安全可靠、无需布线、维护方便等优点，将会在各领域中带来广泛的市场。本系统结构简单，但这并没有影响系统的性能和用途。他可应用到遥控、遥测、汽车电子、安全防火、生物信号采集、环境监测和电气自动化等领域。

参考文献

［1］黄智伟.单片无线收发集成电路原理与应用[M].北京：人民邮电出版社，2005.

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注：“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”