兼容RS-232的點對點無線接口設計(圖)

本文設計了基于RF芯片nRF2401的兼容RS-232的無線數傳模塊，給出了系統的硬件電路及相關軟件設計的解決方案。

前言
隨著通信、信息技術和微電子技術的飛速發展，短距離無線通信的應用步伐不斷加快。在短距離無線數據通信中，目前最為成熟的三個標準是：Bluetooth, 802.11(Wi_Fi)和IrDA。RFID和UWB憑借其獨有的特點成為短距離無線數據傳輸技術的后起之秀。

RS-232接口標準是一種廣泛的普及標準，但此標準推出較早，在現代金融、保險、電信和電子化網絡中已暴露出明顯的問題：信號線易受外界干擾；RS-232采取不平衡傳輸方式，其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大約為15m。由于上述問題的存在，導致RS-232串口數據線對電壓浪涌特別敏感。目前，非交流電源線路的浪涌所引起的損害占據全部浪涌損害的一大部分。其后果是：硬件損壞、數據丟失、通信中斷以及由此引起停機。

為了改進RS-232通信距離短、易受外界干擾的缺點和滿足PC系統需要增加無線數據傳輸功能的需要，設計了基于RF芯片nRF2401的兼容RS232的無線數傳模塊。

系統設計
nRF2401采用 5mm5mm的24引腳QFN封裝，具有突發傳遞和直接傳遞兩種工作模式。突發傳遞模式以低速率向nRF2401寫入待發數據，以高速率無線傳輸，盡量降低功耗。直接傳遞模式與傳統RF器件工作模式一致。

圖1 TTL/ RS232的邏輯電平轉換電路

nRF2401的主要特點：
● 全球開放的2.4GHz頻段，125個頻道，滿足多頻及跳頻需要。
● 高速率( 1Mb/s)，優于藍牙技術。
● 外圍元件極少，電壓范圍為1.9～3.6V，電流消耗很小，功耗很低。
● 發射功率和工作頻率等所有工作參數可全部通過軟件設置。
● 芯片內部設有專門的穩壓電路，且無須外部SAW濾波器。
● 獨特設計：采用DuoCeiver 技術可同時接收兩個nRF2401的數據。
● 可通過軟件設置最多40位地址，且只有收到本機地址時才會輸出數據。
● 內置CRC校驗硬件電路和協議，有數據時隙和數據時鐘恢復功能。

1 nRF2401的高頻頭設計
nRF2401芯片以及其外圍元件電路組成了發送接收模塊。考慮到電磁兼容性，nRF2401的應用電路單獨做成一塊PCB。高頻模塊使用雙層PCB，PCB設計中大量使用過孔，使頂層和底層的地充分接觸，PCB的空余部分大面積連續接地。

圖2 MCU與nRF2401的直連方式

2 接口電路設計
RS232信號在正負電平之間擺動。發送數據時，發送端驅動器輸出正電平在+5～+15V，負電平在-5～-15V。從開始傳送數據到結束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3～+12V與-3～-12V。選用MAX3232芯片作TTL/ RS232的邏輯電平轉換。圖1為TTL/ RS232邏輯電平轉換的原理圖電路。其中C16、C20使用1uF獨石電容，C17、C19使用0.1μF獨石電容。

MCU與nRF2401的連接采用I/O口直接連接方式。原理圖如圖2所示。連接電路中采用電阻分壓網絡來實現AT89S52與 nRF2401的數據交互。

3 軟件設計
nRF2401的ShockBurstTM RX/TX模式采用片上 FIFO來進行低數據率的時鐘同步和高數據率的傳輸，因此極大地降低了功耗。ShockBurstTM發射主要通過MCU接口引腳CE、CLK1和DATA來完成。當MCU請求發送數據時，置CE為高電平，此時的接收機地址和有效載荷數據作為nRF2401的內部時鐘，可用請求協議或MCU將速率調至1Mb/s；置CE為低電平可激活ShockBurstTM發射。nRF2401在突發模式下的幀格式如表1所示。

圖3 程序流程圖

程序流程圖如圖3所示。
nRF2401具有144位狀態字?？刂破鲗RF2401設置為配置方式，然后由通道1向nRF2401寫入狀態字的配置值，寫時高位在前。配置方式下控制器寫狀態字的過程與激活方式下向nRF2401寫入數據的過程完全相同，都經由CLK、DR和DATA組成的三線接口完成。

在配置模式下，將nRF2401配置為ShockBurstTM收發模式，該模式下使nRF2401能夠處理射頻協議，在配置完成后，在nRF2401工作過程中，只需改變其最低一字節中的內容，以實現接收模式和發送模式的轉換。ShockBurstTM的配置字由數據寬度、地址寬度、地址和CRC四部分組成。

程序中對狀態字后的120位進行配置,其值為0x20 4000 DDDDDD DD 00CC CCCC CC83 6E05。配置后nRF2401的通道1數據段長度為8字節，地址段長度為32位，通道1硬件地址為0x CCCCCCCC，使能16位CRC校驗，單通道接收，工作于突發傳遞模式下，通信速率為1Mb/s，晶振頻率為16MHz,輸出功率-5dbm，工作頻段為2402MHz。

①發送、接收數據的程序設計
void ShockBurstTrans(){
unsigned char ByteNum;
MODE_RT;
Delay202();
for(ByteNum=0;ByteNum14;ByteNum++)
WriteTo2401(TXData[i]);
CE=0;
DATA=0;
}
數據接收設置為中斷服務程序方式。中斷服務程序如下：
void ReceiveShock（）interrupt 0 using 3{
unsigned char ByteNum;
DATA=1;
for(ByteNum=0;

ByteNum8;ByteNum++)
RXData[ByteNum]=ReadFrom2401();
}
② 串行口程序設計
采用中斷方式進行串口管理。串行通信中對數據流的處理采用突發處理方式。針對RAM空間有限的情況，利用軟件模擬FIFO寄存器結構。
串口的接收和發送工作是相對獨立的，構建兩個環形緩沖區來實現具有FIFO功能的緩沖區隊列。每一個環形緩沖區都對應有寫入(Ptr_Wr)和讀出(Ptr_ Rd)兩個指針，從寫指針到讀指針之間的相對區域存儲的是待發送或已接收的數據，兩個指針的前后次序通過標志位(bFlag_Order)判別，當它們的位置重合時則表示沒有有效數據。讀寫指針相對位置與存儲的數據之間的關系如圖4所示。陰影部分表示有效數據。

圖4 讀寫指針相對位置與存儲數據之間的關系示意圖

結論
隨著Internet的飛速發展，從WAN到MAN，再到LAN、PAN，這些技術已逐漸成熟。無線網絡在各類網絡中最具增長潛力。由于各種無線標準自身的技術也有待于不斷完善和提高，無線技術的應用還有很大的市場空間。

nRF2401是一款性價比很高的單片無線收發芯片，利用AT89S52和nRF2401芯片設計的無線數據傳輸系統，成本低，體積小，應用靈活，具有良好的通用性和可靠性。通過調試結果表明，nRF2401芯片可以與微控制器連接實現無線數據通信，進而實現了PC之間的無線通信，并且通信質量可靠穩定。