基于nRF2401的无线传输系统的设计.doc

基于nrf2401的无线传输系统的设计1设计思路 需要建立一个在一定范围中使用的小型无线网络通信系统，要求通信距离在10m左右，具有数据通信的功能。如图1所示 微机将数据传给单片机控制系统，然后单片机把数据传给射频部分发射出去，同时还要能够接受数据。2方案设计2.1射频收发芯片nrf2401简绍 nrf2401系列的芯片，因为串口的编程相对简单，应用及编程非常简单，并且传送的效率很高，标称速率就是实际速率。nrf2401外围元件仅需2个，无需声表面滤波器、变容管等昂贵的元件，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路。 由于无线收发芯片是应用在一些移动的产品上，因此功耗非常重要，应该根据需要选择综合功耗较小的模块。nrf2401芯片都工作在2. 4ghz自由频段， nrf2401，最高传输速率超过1mbit/ s，它采用soc方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。nrf2401的引脚排列如图如图2所示 主要特点它采用5mm5mm的24引脚qfn封装。nrf2401的主要特点如下: .采用全球开放的2. 4ghz频段，有125个频道，可满足多频及跳频需要; .速率(1mbps)，且具有高数据吞吐量; .外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路; .发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置: .电源电压范围为1. 9-3. 6v，功耗很低; .电流消耗很小，-5dbm输出功率时的典型峰值电流为10. 5ma; .芯片内部设置有专门的稳压电路，因此使用任何电源(包括dc/ dc开关电源)均有很好的通信效果; .每个芯片均可以通过软件设置最多40bit地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据(提供一个中断指示)，同时编程也很方便; .内置crc校验硬件电路和协议; .采用duoceiver tm技术可同时接收两个nrf2401的数据; .采用shockburst tm模式时，能适用极低的功率操作和不严格的mcu执行; .无需外部saw滤波器; .可10096rf检验;.带有数据时隙和数据时钟恢复功能。nrf2401的内部结构原理及外部组成框图如图3所示 管脚功能如图如图4所示 nrf2401的一些管脚具体功能如下:pwr-up为上电端，ce为工作状态使能端， cs为片选端，控制器通过对nrf2401的pwr-up, ce和cs管脚状态组合设置，控制nrf2401的主工作方式。当状态组合为110, 101或100时，芯片分别处于激活、配置或保持方式。当pw- up置0时，芯片处于掉电状态。clk1, clk2为通道1, 2时钟信号端。由控制器提供，在突发模式下，在时钟信号的下降沿从nrf2401的data管脚读出数据。data, dout为通道1, 2数据端，控制器与nrf2401由clk, dr和data组成的三线接口交换传输的数据。通道1可接收和发送数据，通道2只能接收数据。3)状态字如图如图5所示 nrf2401具有144位状态字。控制器将nrf2401设为配置方式，然后由通道1向nrf2401写入状态字的配置值，写时高位在前。配置方式下控制器写状态字的过程与激活方式下向nrf2401写入数据的过程完全相同，都经由clk, dr和data组成的三线接口完成。 4)工作方式 nrf2401的shockburst rx/ tx模式采用片上先进先出来进行低数据率的时钟同步和高数据率的传输，因此极大的降低了功耗。shockbursttm发射主要通过mcu接口引脚ce, clk1和data来完成。当mcu请求发送数据时，置ce为高电平，此时的接收机地址和有效载荷数据作为nrf2401的内部时钟，可用请求协议或mcu将速率调至1mbps;置ce为低电平可激活shockburst发射。shockburst接收主要使用mcu接口引脚ce, dr1, clk1和data来实现。当正确设置射频包输入载荷的地址和大小后，置ce为高电平可激活rx。此后便可在nrf2401监测信息输入200s，若收到有效数据包，则给mcu一个中断并置dr1为高电平，以使mcu以时钟形式输出有效载荷数据，待系统收到全部数据后，nrf2401再置dr1为低;此时如果ce保持高电平，则等待新的数据包。若ce置低电平，则开始接收新的序列2.2单片机at89c51rb2 单片机是把cpu、内存及i/o压缩在同一块芯片上，再外加一些电子元件便可以构成一套简易的控制系统。at89c51rb2单片机是一种低功耗、高性能的8位cmos单片机。片内含有16kb flash rom, 1280字节ram, 8位数据总线，4个串行1/0端口，32条i/0线，3个16位定时/计数器，9个中断源，片内振荡器和时钟电路，工作频率40mhz工作电压范围为2. 7v5. 5v(实际使用+5v供电)。其主要特性为: .高速构架，具有多种工作频率 .具有isp串行在线下载擦写功能，可直接在电路板上进行程序修改、烧录等操作。 .具有一片1024bytes的扩展ram (xram) .具有键盘中断接口p1 .主从模式的同步串行spi接口 .8-bit的时钟预换算装置 .改进的x2模式，可以独立选择cpu和每个外设 .可编程的5通道计数阵列 .异步reset端口 .全双工增强型通用串行接口uart .dart专用的波特率发生器封装形式为: plcc44 如图6所示(1)管脚说明和主要特性 vcc:供电电压。 gnd:接地。p0口:p0口为一个8位漏级开路双向i/o口，每脚可驱动8ttl门电路。当p0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。p0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。 p1口:p1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向i/o口，内口缓冲器能接收输出4ttl门电流。p1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，p1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在flash编程和校验时，p1口作为第八位地址接收。p2口:p2口为一个内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2口缓冲器可接收，输出4个ttl门电流，当p2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，p2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。p2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，p2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，p2口输出其特殊功能寄存器的内容。p2口在flash编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 p3口:p3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向i/o口，可接收输出4个ttl门电流。当p3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，p3口将输出电流这是由于上拉的缘故。p3口也可作为at89c51rb2的一些特殊功能口，如下所示: 口管脚备选功能 p3. 0/rxd(串行输入口) p3. 1 /txd(串行输出口) p3. 2/ int0(外部中断0) p3. 3/ int1(外部中断1) p3. 4/t0(记时器0外部输入) p3. 5/t1(记时器1外部输入) p3. 6/ wr(外部数据存储器写选通) p3. 7/ rd(外部数据存储器读选通) p3 口同时为flash编程和编程校验接收一些控制信号。 rst: 复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。ale/prog:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfrbeh地址上置0。此时，ale只有在执行movx，movc指令时ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效.psen:外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的psen信号将不出现.ea/vpp:当ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器(0000h-ffffh),不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，ea将内部锁定为reset;当ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源(vpp)xtal1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 xtal2:来自反向振荡器的输出。 xtal1和xtal2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石英晶体振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，xtal2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 (2) at89c51rb2的特殊功能寄存器 c51核心寄存器:acc, b, dph, dpl, psw, spi/o寄存器:p0, p1, p2, p3时间寄存器:t2con, t2mod, tcon, th0, th1, th2, tmod, tl0, tl1, tl2, rcap2l, rcap2h 串行输入输出寄存器:saddr, saden, sbuf, scon 可编程计数阵列(pca)寄存器:ccon, ccapmx, cl, ch, ccapxh, ccapxl (x: 0到4) 电源和时钟控制寄存器:pcon 看门狗计时寄存器:wdtrst, wdtprg 中断寄存器:ien0, ipl0, iph0, ien1, ipl1, iph1 键盘接口寄存器:kbe, kbf, kbls spi寄存器:spcon (sp控制寄存器)，spstr (sp状态寄存器)，sprat (sp数据寄存器) 波特率发生器寄存器:brl, bdrcon flash寄存器:fcon 时钟预比例器寄存器:ckrl其他寄存器:auxr, auxr1, ckcon0, ckcon1 (3)单片机的中断.8051内含有两个外部中断，两个计时计数器中断及一个串行端口中断，如图7所示 其中串行端口传送及串行端口接收共用一个向量地址。以上所列出的工作标志中断工作标志，在程序中只要判断这些标志便可以知道产生了那一种中断，而向量地址是8051程序内存中最前面的几个特殊的地址，用来决定各种中断服务程序的程序进入点地址，当8051产生了中断工作后，使会跳到某一固定的地址去执行中断服务程序。 其中8051处理串行端口的中断可分为传送及接收数据，当发送器将串行缓冲器中的数据传送出去后，便将设定ti，而当接收器收到完整的1字节数据，并将数据放入串行缓冲器后，也会设ri标志，在执行中断服务程序时，并不会自动将工作标志清除，通常在程序中必需加以判断此串行端口中断是由ti或是由ri产生的，而分别执行不同的控制程序，并将工作标志加以清除。 .相关控制寄存器 有关中断处理的相关控制寄存器如下 1)计时计数器控制寄存器tcon; 2)中断允许控制寄存器ie; 3)中断优先权控制寄存器ip. tcon:计时控制寄存器 可位寻址，地址88h。用来记录各个中断源所产生的工作标志，并包含计时器启动控制位，各个位说明如下: 如图8所示 tf1 (tcon. 7):计时器1溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为1，在执行过相对的中断服务程序后则自动清除为0。 tr1 (tcon. 6):计时器1启动控制位，可以由软件来设定或清除。tr1=1时启动计时器工作，tr1=0时关闭。 tf0 (tcon. 5):计时器0溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为1，在执行过相对的中断服务程序后则自动清除为0。 tr0 (tcon. 4):计时器0启动控制位，可以由软件来设定或清除。tr0=1时，启动计时器工作，tr0=0时关闭。 ie1 (tcon. 3):外部中断1工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行过中断服务程序后，则消除为0。 it1 (tcon. 2):外部中断1工作形式选拜，it1=1时，由下降沿产生外部中断; it1=0时.由低电位产生中断。 ie0 (tcon. 1):外部中断0工作标志，当外部中断被检查出来时，硬件自动设定此位，在执行过中断服务程序后，则清除为0。 it0 (tcon. 0):外部中断0工作形式选择，it0=1时为下降沿产生外部中断，it0=0时为低电位产生中断。 ie:中断允许寄存器 可位寻址，地址am用来允许各种中断信号的产生，各个位说明如下如图9所示: ea =1时，各中断的产生由个别的启动位决定。 一(ie. 6):保留。 et2 (ie. 5): 允许计时器2溢出的中断(8052使用)。 es (ie. 4): 允许串行端口的中断(es =1启用，es=0)停用 et1 (ie. 3):允许计时器1中断。 ex1 (ie. 2):允许外部中断int1的中断。 et0 (ie. 1):允许计时器0中断。 ex0 (ie. 0):允许外部中断int0的中断。 ip:中断优先权寄存器 可位寻址，地址 b8h，用来设定各种中断信号产生的优先次序，8051中断源外部中断int0具有最高的优先控制权，当然在适当的时候可以由设计者加以规划此寄存器，使得相对的中断源具有最高的优先中断权。各个位说明如下如图10所示: 一(ir. 7):保留。 一(ir. 6):保留。 pt2 (ir. 5):设定计时器2的优先次序(8052使用)。 ps(ir. 4):设定串行端口的中断优先顺序。 pt1 (ir. 3):设定计时器1的优先顺序。 px1(ir. 2):设定外部中断int1的优先顺序。 pt0(ip. 1):设定计时器0的优先顺序。 px0 (i p. 0):设定外部中断int0的优先顺序。 (4)单片机的串口通信 at89c51rb2不仅提供全双工传输的功能，并且以缓冲式的接收模式来处理所接受到的串行数据。所谓全双工功能就是指at89c51rb2的串口能够同时接收及发送串行数据，这种安排可以使串行传输的效率达到最高，但是程序的写法却是最复杂的。所以无误的接收串行数据，最好是将串行传输的程序以中断的写法处理，这样才不会造成过多的失误。 at89c51rb2串行数据的收送都是通过特殊寄存器sbuf来处理只要设置好串行传输的模式，然后mov sbuf, a指令就是把值送到串行传输寄存器上，并立即将该笔数据以串行方式送出，而mov a, sbuf指令则是由串行传输寄存器上取回外界送来的串行数据，两指令中的sbuf并不是指到同一个寄存器，而是分别属于两个不同的寄存器。 2.3电源部分 作为整个系统的电源，选用lm1117。它只需2个外围电阻，便可提供1. 25v13. 8v，并且它可以提供5个固定电压1.8v, 2.5v, 2.85v, 3.3v和5v. 在单片机和rs232接口之间采用max3232e. max3232e包括两个发送器和两个接收器，数据率250kbps。 在给单片机的复位信号，选用max708，max708微处理器监控电路减少p系统中为控制电压供给和电池功能所需要组件的复杂性和数目。这些设备和独立的ics或离散组件相比可显著增强系统的可靠性和准确性。max708用一个有效高电平来代替看门狗定时器.当供给电压低于4. 40v时，max708产生一个复位脉冲，复位脉宽200ms。3单元电路设计根据无线通信系统的一般结构和本方案所采用芯片的具体特点，本系统硬件设计主要可分为4部分:射频收发部分、单片机控制部分、接口电路和电源部分。系统的射频电路由nrf2401和一些外围元件构成。在分析了nrf2401的参考电路之后，采用如下的电路和元件实现2. 4g的无线收发功能。3.1射频收发部分 如图11所示: 其中nrf2401的电源采用nordic公司给出的参考电路，c6, c7为去藕合电容。现在无线通信领域常采用的天线是倒f型天线。倒f天线结构紧密，带宽适中，不容易损坏，而且功率吸收小。因此本设计采用倒f天线。最好可以使用cl -16pf的晶振。3.2单片机控制部分的设计如图12所示: 单片机at89c51rb2的设计主要包括电源、晶振和指示灯3部分。电路功能描述: at89c51rb2的电源由max708提供，max708给at89c51rb2提供复位信号，减少微处理器系统中为控制电压供给和电池功能所需要组件的复杂性和数目。它和独立的ics或离散组件相比可显著增强系统的可靠性和准确性。max708用一个有效高电平来代替看门狗定时器。当供给电压低于4.40v时，max708产生一个复位脉冲，复位脉宽200ms。3个发光二极管是为了指示工作状态。通过程序设置，可使系统不同的状态，不同的指示灯亮，便于调解。3.3单片机at89c51rb2和nrf2401的接口电路 at89c51rb2有dart和spi接口，而nrf2401用的是dr1, clk和data，三线传输。考虑到速率的因数，at89c51rb2和nrf2401的连接准备用spi接口实现。 spi(串行外设接口)接口是一种同步串行外设接口，它可以使mcu和各种外围设备进行通信以交换信息。其特点包括: .全双工，三线同步数据转换 .主从模式 .8个可编程主时钟频率 .可编程的极性和相位的串口时钟 .写冲突保护标准 .主模式下具有中断能力的缺省错误标志 图中说明了一个典型的spi主从式总线结构。主设备通过并行的4个管脚来控制各个从设备的ss管脚来选择从设备。 mosi(master output slave input): 这个1bit的信号直接连接主设备和从设备。信号通过mosi线从主设备串行传输到从设备。因此，对主设备而言，mosi是信号输出端口，对从设备而言，则是信号输入端口。在这条线上，1byte的信号通过高位(msb)到低位(lsb )的传输。 miso (master input slave output): 通过这个1bit的信号线，信号由从设备传输到主设备，因此它是主设备的信号输入端口，从设备的信号输出端口。信号同样是从msb到lsb的传输。 sck(spi serial clock): 这个信号来同步所有设备的进出mosi和miso的数据。它通过主设备的时 钟周期来驱动，允许交换串行线上的1个byte的信号。 ss(slave select) 通过使某个从设备的ss管脚保持低电平来选择该从设备。显然只有主设备(它的ss管脚保持高电平)才能驱动这个系统。主设备通过软件，利用端口来选择从设备，如图3.4。通过阻止miso线上的冲突，来保证主设备每次传输只选择一个从设备。在设置主设备时，丽管脚可以和spi的状态寄存器spsta中的mode一起工作来阻止多个主设备一起驱动most和sck.操作模式 spi接口可以设置成主模式或者从模式中的一种。它的设置和初始化可以通过设置spcon寄存器来实现。一旦spcon设置好后，数据交换可以通过3个寄存器spcon, spsta, spdat来实现。在spi传输过程中，数据是以全双工的方式同时串行传输和串行接收的，它靠同一个时钟进行同步，如图3.5. .单片机at89c51rb2和nrf2401的接口电路电路图如图13所示: nrf2401工作于突发模式，使用通道1. 将at89c51rb2的p2. 5, p2. 6和p2. 7脚配置成通用i/o脚，与nrf2401的ce, cs和pwr_ up连接，控制nrf2401的主工作方式。at89c51rb2的miso, mosi, sck和int0和nrf2401的dr1, data和clki构成spi串口通信模式。系统上电后，at89c51rb2首先置nrf2401为配置方式，对nrf2401状态字进行配置，此时指示灯d1, d2全亮。随后置nrf2401为激活方式，接收状态，ds1, d2全暗。当需要发送数据时，at89c51rb2置ce为1，激活nrf2401的数据处理模板。接收方通道硬件地址和发送数据组成的数据包以int0模拟的时钟写入nrf2401，随后at89c51rb2置ce为0，激活nrf2401的无线发送过程，发送期间ds1亮，发送完毕切换回接收状态，ds1暗。如果nrf2401检测到符合本机硬件地址的数据帧，便将数据帧解包，dr1信号置1提请at89c51rb2读取数据。at89c51rb2检测到dr1高电平后，d2亮，接收数据以int0提供的时钟从nrf2401读取。3.4单片机at89c51rb2和计算机的接口电路 因为pc机的串口采用的是rs232-c的电平标准(用315v表示1，用+3+15v表示