基于ATmega16和nRF905的無線射頻收發系統設計

0引言

隨著當今電子科技的飛速發展，各種智能化控制系統(比如智能化小區內部的無線抄表系統、門禁系統、防盜報警系統和安全防火系統等)、工業數據采集系統、水文氣象控制系統、機器人控制系統、數字圖像傳輸系統等等，都已經離不開數據信息的電子傳輸。可以說，數據信息傳輸系統是各種智能化控制系統的重要組成部分。而數據傳送大部分采用有線數據傳送方式，如并行傳送、串行傳送和CAN總線等等。在有線數據傳輸方式當中。數據的傳輸載體是雙絞線、同軸電纜或光纖。其實，數據傳輸還可以用無線傳輸方式，即通過空氣或真空實現數據傳送。相比于傳統的有線數據傳輸方式，無線傳輸方式可以不考慮傳輸線纜的安裝問題，從而節省大量線纜，降低施工難度和系統成本，因而是一個很有發展潛力的研究課題。

本文給出了用ATMEGA16L單片機和nRF905無線射頻器收發組成的一種無線數據傳輸系統的設計方案。該系統由發射和接收模塊組成。發射模塊主要將要發送的數據經單片機處理后，通過nRF905發送出去。在接收模塊中，nRF905則將數據正確接收后通過數碼管顯示出來，從而實現短距離的無線通信。

1收發系統硬件設計

1.1 系統硬件總體方案

本系統的總體框圖如圖1所示，圖中箭頭指向表明信號的走向。本系統從功能上可以分為電源模塊、中心控制模塊、無線收發模塊、接收數據顯示模塊等四個部分。

本設計需要3.3 V電壓。故可用三端可調輸出集成穩壓器LM317來產生3.3 V電壓。圖2所示是用LM317產生3.3 V電源電壓的電路原理圖。

1.3單片機控制電路

該系統選擇AVR ATMEGA16L單片機來進行控制電路的設計。其原因主要是該單片機具有以下特點：

(1)速度快

AVR單片機在單一時鐘周期內能夠執行功能強大的指令，每MHz可實現MIPS的處理能力，是具有最高MIPS／mW能力的8位單片機。AVR單片機采用大型快速存取寄存器文件和快速單周期指令。其快速存取RISC寄存器文件由32個通用工作寄存器組成。

(2)片內資源豐富

內含8通道10位AD轉換器的最高采樣率為15kSPS，可滿足本系統所要求的8kSPS的要求；SPI(Serial Peripheral Interface，串行外設接口)控制器可簡化單片機與串行DAC和無線收發芯片之間的通訊，減少連線；而512字節的EEPROM則可在掉電時存儲用戶信息：該單片機有兩個外部中斷，可確保單片機及時響應并處理最新收到的信息。

(3)可重復擦寫并可在系統編程(ISP)

AVR單片機ATMEGA16L中的程序存儲空間采用的是Flash存儲技術，因此，該單片機的內部存儲單元可在線重復擦寫1000次以上。

(4)低功耗

AVR ATMEGA16L單片機的工作電壓范圍為2.7～5.5 V，同時具有休眠省電功能(POWERDOWN)及閑置(IDLE)低功耗功能，此時的一般耗電在1～2.5 mA之間。由于本系統以移動性和低功耗見長，因此，采用此單片機芯片可以滿足系統對功耗的要求。

(5)帶有同步串行接口SPI

SPI是一種同步串行外圍總線系統接口，它可以使微處理器與各種外圍設備以同步串行方式進行信息交換。SPI總線一般使用四根信號線：SCK(串行時鐘)、MISO(主機輸入／從機輸出)、MOSI(主機輸出／從機輸入)和SS(低電平有效的從機選擇)。利用SPI總線可以在軟件控制下構成各種系統。

ATMEGA16L單片機內含一個標準的SPI接口，可用于單片機與單片機或外設之間進行高速同步數據傳輸。它使用標準的四線接口。SCK、MISO、MOSI、／SS分別與PB7、PB6、PB5和PB4復用。在硬件設計時，本設計把MCU的SPI接口、nRF905的SPI接口．以及另外選定的幾個I／O口連接到nRF905的輸入輸出信號。ATMEGA16L與外圍器件的連接電路見圖3所示。

1.4無線收發芯片nRF905簡介

系統中的無線收發電路采用挪威Nordic公司的單片無線收發器芯片nRF905。該芯片的工作電壓為1.9～3.6 V，采用32引腳QFN封裝(5×5 mm)，可工作于433／868／915 MHz三個ISM(工業、科學和醫學)頻段，是一個真正的單片UHF無線收發芯片。nRF905采用FSK調制解調技術，頻道之間的轉換時間小于650μs。nRF905集成度高，由一個完全集成的頻率調制器、一個帶解調器的接收器、一個功率放大器、一個晶體振蕩器和一個調制器組成，工作頻率穩定可靠，外圍元器件少，不需外加聲表濾波器，ShockBurstTM工作模式，能自動產生前導碼和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，nRF905最高工作速率可達20 k，發射功率可以調整，最小為-10 dBm，最大為+10 dBm。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，適合便攜式產品的設計。

1.5無線收發電路設計

本系統的無線發射接收電路主要利用nRF905與外圍器件構成的電路組成，其主要部分是天線。簡而言之，就是一個特定形狀的導體，它可以將電流轉化為射頻能量并以電波形式發射出去．或將無線電波接收進來。任何一個無線系統都有天線，天線設計的好壞直接影響無線系統的收發能力。圖4所示是用nRF905差分連接的環形天線圖。