基于nRF905芯片的多功能无线数传模块的设计及其实现

基于nRF905芯片的多功能无线数传模块的设计及其实现吕跃刚,高晟辅，范俊峰，王晏晏（华北电力大学（北京）控制科学与工程学院,102206）TheDesignandApplicationofMulti-functionWirelessModuleBasedonRFTransceivernRF905LVYue-gang，GAOSheng-fu,FanJun-feng,WangYan-yan,（ShoolofControlScienceandEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity（Beijing102206,China））摘要：本文介绍了挪威NordicVLSI公司最新推出的单片无线收发一体芯片nRF905的结构和工作特点，以及在此基础上设计的多功能无线数传模块。该模块主要由标准RS232C接口、标准RS485接口、无线通信接口三部分组成。根据实际工作要求编写相应的通信协议，可以应用在不同的领域中。关键词：无线通信nRF905SPI单片机PC机中图法分类号:TN832/839,TP334文献标识码:B文章编号:ABSTRACT:IntroducedstructureandworkingcharacteristicofnRF905,akindoftransmissionsystemofwirelessdatabasedonradiofrequencytransceivernRF905ofthewirelessisdesigned.ThesystemiscomposedofRS232C,RS485andwireless-communicationinterface.Accordingtotheworkcondition,thecommunicationprotocolisdesigned,andappliedinextensivelyfields.KEYWORDS:wireless-communication;nRF905;SPI;Microcomputer;PC1引言当代科学技术日益向高速化、智能化、信息化、网络化发展，各种各样的制造业和通信业设备除了可以与计算机联机外，还可以互相联机，而实现设备间相互联机的最具发展潜力的方式就是无线通信。与有线通信方式相比，无线通信具有一系列优点，特别适用于手持现场设备、电池供电设备、遥控遥测设备、水文气象监控设备、生物信号采集系统、工业数据采集系统等。在上述无线通信技术应用实际中，无线通信协议起着至关重要的作用，直接关系到无线通信系统的安全性和误码率以及系统运行的速度。本文基于挪威NordicVLSI公司最新推出的单片无线收发一体芯片nRF905设计出多功能无线数传模块：具有标准RS232C和RS485接口通信模块，设计的多功能无线数传模块由基于nRF905的高频头和标准通信接口模块组成。2硬件设计2.1高频头设计2.1.1nRF905简介nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9～3.6V，32引脚QFN封装(5×5mm)，工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us。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，ShockBurst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-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，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。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的详细结构如图1所示，以及管脚功能如表1所示。图1nRF905结构图图2由nRF905组成的高频头用户接口2.1.2高频头用户接口设计图2中给出了由nRF905组成的高频头用户接口，该接口由10个数字输入/输出I/O组成，按照工作可分为三组：模式控制该接口由TRX_CE、TXEN、PWR组成控制由nRF905组成的高频头的四种工作模式：掉电和SPI编程模式；待机和SPI编程模式；发射模式；接收模式，各种模式的控制模式见下表1。SPI接口表1各种模式的控制模式SPI接口由SCK、MISO、MOSI以及CSN组成。（1）在配置模式下单片机通过SPI接口配置高频头的工作参数；（2）在发射/接收模式下单片机SPI接口发送和接收数据。状态输出接口提供载波检测输出CD，地址匹配输出AM，数据就绪输出DR。2.2标准通信接口模块标准通信接口模块主要由三部分组成：标准RS232C接口模块；标准RS485接口模块；无线通信接口模块。标准RS232C接口模块，采用MAXIM公司生产的MAX232A芯片将微处理器（MCU）的TTL电平与PC机串口标准RS232C电平进行相互转换。标准RS485接口模块采用Motorola公司生产的MC3486和MC3487电平转换芯片实现TTL电平与RS485电平的转换。无线通信接口模块采用Philips公司生产的74LVC4245A电平转换芯片实现3V与5V电平转换，可以实现MCU与nRF905之间的双向数据通信。其工作原理为：根据事先设定的通信协议，MCU通过设定74LVC4245A的DIR引脚为高和低电平，可以分别实现数据由MCU到nRF905的传输（即5V转换为3V）和nRF905到MCU的传输（即3V转换为5V）。3软件设计3.1RS232接口通信软件设计在本设计中PC机发送字符与接受字符均采用查询方式，发送前先读取通信或状态寄存器，查询发送保持寄存器是否为空；接收前先读取通信或状态寄存器，查询一帧据是否收完。从机采用中断方式，即接受到地址帧后就进行串行口中断申请，CPU响应后，进入中断服务程序。PC机通讯程序用VisualBasic开发。我们利用了VB提供的串行通讯专用ActiveX控件MSComm，该控件屏蔽了通讯过程的低层操作。只需设置MSComm控件的相应属性，调用控件相应方法和事件，按照通PWRTRX_CETXEN工作模式0XX掉电和SPI编程模式10X待机和SPI编程模式110接收111发射nRF905高频头SPI接口模式控制状态输出TXENTRX_CEPWRCSNSCKMISOMOSIAMDRCD讯协议要求发出命令号，下位机完成相应功能，便能实现数据通讯。3.2RS485接口通信软件设计利用RS485接口可以实现PC机与单片机之间、单片机与单片机之间的远距离点对点和点对多点的异步串行通信。由于RS485通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在侦听到总线上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下，才能应答。半双工通讯对主机和从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统的通讯瘫痪，无法正常工作。对于多机通信，总线上所连接的各单机的发送控制信号在时序上应完全隔开，以保证发送和接收信号的完整和正确避免总线上信号的碰撞。3.3基于nRF905的高频头的无线通信软件设计由于与RF协议相关的高速信号处理部分已经嵌入在模块内部，高频头可与各种低成本单片机配合使用，也可以与DSP等高速处理器配合使用；高频头提供一个SPI接口，速率由微控制器自己设定的接口速度决定。在RX模式中，地址匹配（AM）和数据准备就绪（DR）信号通知MCU一个有效的地址和数据包已经各自接收完成，微控制器即可通过SPI读取接收的数据。在TX模式中，高频头自动产生前导码和CRC校验码，数据准备就绪（DR）信号通知MCU数据传输已经完成。这意味着降低MCU的存储器需求也就是降低MCU成本，同时缩短软件开发时间。nRF905接收模式如图4所示，nRF905发射模式如图5所示。3.3.1配置编程上电以后MCU首先配置高频头模块。先将PWR、TXEN、TRX_CE设为配置模式（见表1），MCU通过SPI将配置数据移入高频头模块；在掉电和待机模式工作后，配置内容仍然有效。配置数据只有当电源撤除后才会丢失。3.3.2发射模式当MCU有数据需要发往规定节点时，接收节点的地址（TX-address）和有效数据（TX-payload）通过SPI接口传送给高频头。应用协议或MCU设置接口速度。图4nRF905接收模式MCU设置TRX_CE，TXEN为高来启动传输。高频头内部处理：（1）无线系统自动上电（2）数据包完成（加前导码和CRC校验码）（3）数据包发送（100kbps，GFSK，曼切斯特编码）如果AUTO_RETRAN被设置为高，高频头将连续地发送数据包，直到TRX_CE被设置为低。当TRX_CE被设置为低时，高频头结束数据传输并将自己设置成待机模式。3.3.3接收模式通过设置TRX_CE高，TXEN低来选择RX模式。650us以后，高频头监测空中的信息。当高频头发现和接收频率相同的载波时，载波检测（CD）被置高。当高频头接收到有效的地址时，地址匹配（AM）被置高。当高频头接收到有效的数据包（CRC校验正确）时，高频头去掉前导码，地址和CRC位，数据准备就绪设置nRF905为Standby模式启动接收TRX_CE=高？有载波信号CD为低AM=高地址是否正确接收数据AM=低CRC校验正确？DR=高TRX_CE=高？nRF905进入Standby模式DR和AM被置低是否是是是否否否（DR）被置高。MCU设置TRX_CE低，进入standby模式（待机模式）。MCU可以以合适的速率通过SPI接口读出有效数据。当所有的有效数据被读出后，高频头将AM和DR置低。4结束语随着信息技术和计算机科学的变革和发展，无线通讯技术已经成为一种发展趋势在各个领域当中逐步得到应用。无线通讯传输技术具有成本低、无需通讯电缆、不受应用环境限制、组态灵活、重构性强等优点，这就给无线通信技术带来了很大的发展空间。本文采用了挪威NordicVLSI公司最新推出的单片无线收发一体芯片nRF905，并在此基础上设计出多功能无线数传模块。经过实际检验，此模块运行稳定，通信可靠，能够实现远距离无线通信，PC机与单片机之间、单片机与单片机之间的远距离点对点和点对多点的异步串行通信。从实用性角度考虑，可以运用在遥控、遥测、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF、智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、信息家电等实际工作环境中。图5nRF905发送模式此稿创新点：《基》这篇文章深入剖析了挪威NordicVLSI公司最新推出的单片无线收发一体芯片nRF905的硬件结构和工作特点。重点描述了在此基础上设计的多功能无线数传模块，以及根据实际工作要求进行的软件设计实现相应的通信协议，根据接口特点可将它应用在遥控、遥测等同的领域中。本文对广大射频技术研究者以及相关产品开发者具有实际参考价值，相信能对读者有一定帮助。参考文献[1]Singlechip433/868/915MHzTransceivernRF905.NordicVLSIASA,2004.1.[2]nRF905RFandantennalayout.NordicSemiconductorASA,2004.10.[3]陈蕾，仇润鹤，薛冰雷，微计算机信息，一种应用于车载系统的GPS接收机射频前端的设计，2005（12），196-197[4]李群芳,张士军,黄建.单片微型计算机与接口技术.北京:电子工业出版社,2005.[5]李朝青.PC机及单片机数据通信技术.北京:北京航空航天大学出版社,2000.[6]王秉钧.通信系统.西安