基于51單片機的無線數據傳輸系統設計

1 引 言

隨著計算機、通信和無線技術的逐步融合，在傳統的有線通信的基礎上，無線通信技術應運而生，他具有快捷、方便、可移動和安全等優勢，所以廣泛應用到遙控玩具、汽車電子、環境監測和電氣自動化等。

在一些特殊應用場合中，單片機與上位機之間通信不再采用有線的數據傳輸，例如采用有線的串、并行總線、I2C和CAN總線等，而是需要無線數據傳輸，本文介紹了基于nRF905無線收發模塊的實用單片機無線傳輸系統的設計。

2 無線收發模塊nRF905

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器，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ISM(工業、科學和醫學)頻道，頻道之間的轉換時間小于650μs。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成，不需外加聲表濾波器，ShockBurstTM工作模式，自動處理字頭和CRC(循環冗余碼校驗)，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的輸出功率發射時電流只有11 mA，工作于接收模式時的電流為12.5 mA，內建空閑模式與關機模式，易于實現節能。nRF905適用于無線數據通信、無線報警及安全系統、無線開鎖、無線監測、家庭自動化和玩具等諸多領域。

3 芯片結構及工作模式

nRF905片內集成了電源管理、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／解碼由片內硬件完成，無需用戶對數據進行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。

nRF905有兩種工作模式和兩種節能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發送模式，兩種節能模式分別是關機模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE，TX_EN和PWR_UP三個引腳決定，詳見表1。

與射頻數據包有關的高速信號處理都在nRF905片內進行，數據速率由微控制器配置的SPI接口決定，數據在微控制器中低速處理，但在nRF905中高速發送，因此中間有很長時間的空閑，有利于節能。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據發射速率。在ShockBurstTM接收模式下，當一個包含正確地址和數據的數據包被接收到后，地址匹配(AM)和數據準備好(DR)兩引腳通知微控制器。在ShockBurstTM發送模式，nRF905自動產生字頭和CRC校驗碼，當發送過程完成后，數據準備好引腳通知微處理器數據發射完畢。由以上分析可知，nRF905的ShockBurstTM收發模式有利于節約存儲器和微控制器資源，同時也減小了編寫程序的時間。　　

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指令進行設置，當nRF905處于空閑模式或關機模式時，SPI接口可以保持在工作狀態。

(1)SPI接口配置

SPI接口由狀態寄存器、射頻配置寄存器、發送地址寄存器、發送數據寄存器和接收數據寄存器5個寄存器組成。

(2)射頻配置

設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收發過程中，TX_PAYLOAD，RX_PAYLOAD，TX_ADDRESS和RX_ADDRESS 4個寄存器使用字節數由配置字決定。nRF905進入關機模式或空閑模式時，寄存器中的內容保持不變。

5 電路設計

nRF905在使用中，根據不同需要，其電路圖不盡相同，圖1所示為其應用原理圖，該電路天線部分使用的是50 Ω單端天線。在nRF905的電路板設計中，也可以使用環形天線，把天線布在PCB板上，這可減小系統的體積。更詳細的設計可參考nRF905的芯片手冊。

nRF905通過SPI接口和微控制器進行數據傳送，通過ShockBurstTM收發模式進行無線數據發送，收發可靠，使用方便，在工業控制、消費電子等各個領域都具有廣闊的應用前景。

對于射頻芯片nRF905的寄存器操作是個很關鍵的問題。由于采用了SPI協議，在配置寄存器過程應用指令及Pl中模擬時鐘上升沿時，很容易出現移錯位及時鐘上升沿無效的情況。SPI接口有4個信號線：MOSI，MISO，SCK，CSN，分別為輸入線、輸出線、時鐘線、配置使能線。SPI的通信時序如圖4所示。

8 系統的參數測量

無線通信在自由空間中傳播距離的計算方法：所謂自由空間傳播系指天線周圍為無限大真空時的電波傳播，他是理想傳播條件。電波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產生反射或散射。

通信距離與發射功率、接收靈敏度和工作頻率有關：

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，當f或d增大一倍時，[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。

本系統的無線收發模塊nRF905選擇工作在第一頻道為433.2 MHz，發射功率為+10 dBm(10 mW)，接收靈敏度為-105 dBm的系統在自由空間的傳播距離：

(1)由發射功率+10 dBm，接收靈敏度為-105 dBm：
　　Los=115 dB

(2)由Los，f計算得出：
　　d=31 km

這是理想狀況下的傳輸距離，實際的應用中會低于該值，這是因為無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入上式中，即可計算出近似通信距離。

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是一個無線通信系統的信道模型，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射功率、發射天線增益、傳播損耗、接收天線增益、接收機靈敏度等，通過加大發射功率，提高天線增益，提高接收機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因素中，作為設計者可以控制的因素有：接收靈敏度、RX一天線增益、發射輸出功率。不能控制的因素是由無線電波的特點所決定的，主要有：傳輸損耗、路徑損耗、多徑損耗、周圍環境的吸收。

在設計者可以控制的因素中，接收靈敏度、天線增益、發射功率都是可以作為提高通信距離的手段。

無線傳輸系統具有體積小、抗干擾能力強、數據安全可靠、無需布線、維護方便等優點，將會在各領域中帶來廣泛的市場。本系統結構簡單，但這并沒有影響系統的性能和用途。他可應用到遙控、遙測、汽車電子、安全防火、生物信號采集、環境監測和電氣自動化等領域。