毕业设计（论文）-基于单片机及nRF2401的无线通信模块.doc

山东科技大学学士学位论文 目录摘要本文设计了一种以at89s52单片机为控制核心的无线通信控制模块，详细说明了该系统的基本原理、主要电路、硬件框架以及软件框架。整个系统采用模块化设计，主要包括单片机与下位机之间的无线通信控制电路，以及无线通信模块与pc上位机之间基于串行接口rs-232标准的串行通信接口电路和usb高速通信接口电路。该通信控制系统通过pc上位机的rs-232串行通信和usb高速通信，从而通过无线通信控制模块形成与下位机的联系，控制下位机运动控制器，并且将通信接收的数据保存到扩展的存储器内。本模块的通信方法简便，除了可以进行远程实时控制外，还可广泛的应用于工业监控和数据采集系统。本系统具有性能可靠、抗干扰能力强、功耗低、性价比高等优点，在无线通信领域具有重要的应用价值和良好的发展前景。关键字：无线通信控制；at89s52；nrf2401；串行通信abstractthis paper introduces a design at89s52 single chip control with the core of wireless communication control module design system, detailed instructions on the system of basic principle, hardware frame, main circuit and software frame. the whole system uses modular design, including between microcontroller and lower level computer wireless communication control circuit, and wireless communication module with pc based on serial interface between the rs-232 standard serial communication interface circuit and usb high-speed communication interface circuit. this communication control system through the pcs rs-232 serial communication and usb high-speed communications, thus through wireless communication control module formation and lower level computer connection, control, and a machine motion controller will receive data storage to communication within the memory expansion. this module communication method is simple, remoting real-time control outside, still can be widely used in industrial supervisory control and data acquisition system. this system has reliable performance, strong anti-jamming capability, low power consumption, high performance-to-price advantages in wireless communication domain, has important application value and good development prospect. keywords:wireless communication control; at89s52;nrf2401;serial comm-unication目录1概述11.1单片机控制的无线数据传输的意义11.2无线通信系统的现状及发展21.3本设计的内容及设计指标31.4设计的基础知识32系统设计方案42.1设计方案选择和论证42.1.1无线通信方式的比较和选择42.1.2微控制器的比较和选择52.1.3无线收发芯片的比较和选择62.1.4 串行通信方式比较和选择72.2系统组成和功能概述83系统硬件设计103.1 rs-232串行通信接口电路设计103.2 usb通信接口电路设计113.2.1设计思路123.2.2 usb转接芯片的选择123.2.3硬件电路设计143.2.4硬件驱动程序安装153.3 nrf2401射频模块电路设计153.3.1芯片结构153.3.2引脚说明163.3.3主要特点183.3.4工作模式193.3.5器件配置203.3.6应用电路213.4外部数据存储器扩展电路设计223.5单片机最小系统电路设计263.5.1电源电路263.5.2时钟电路设计273.5.3复位电路的设计283.5.4下载线接口电路设计283.6各功能模块的整合及实现294系统软件设计304.1主程序模块304.2串行通信模块334.2.1串行口的初始化334.2.2串行口数据的收发354.3 nrf2401的无线通信模块364.3.1 nrf2401的初始化364.3.2 nrf2401数据的shockbursttm收发384.4外部数据存储器的扩展模块424.5串行口调试软件简介435系统性能改善455.1提高系统可靠性措施455.2降低功耗的措施466总结与展望476.1总结476.2展望47参考文献49致谢51外文文献52中文翻译6043山东科技大学学士学位论文 概述1概述1.1单片机控制的无线数据传输的意义在社会高速发展的今天，随着电子技术日新月异的发展，数据通信被广泛的应用到各个领域中。通信可以分为有线通信和无线通信，采用传统的有线监控系统除了通信设备之间的物理线路连接，还需要供电电路的支持。而采用无线技术后，系统精简了通信和供电线路的铺设，方便了系统的维护和扩展，对生产管理水平具有重要的意义。采用无线通信技术可以有效的解决采用有线通信所存在的问题，而且具有成本更低、不需要布线、可以任意增加或减少测量节点、维护方便等优点。当数据采集点处于非固定位置或运动状态时，数据采集系统必须与主机分离，同时还需利用电池供电。因此，由无线收发电路或模块所组成的数据采集及传输系统是有效的解决方式。现在很多的无线通信控制系统不受体积、功耗、成本的限制，并且短距离的无线数据传输技术已经较为成熟，功能简单，携带方便，在应用时将系统作为一个模块可方便地移植，以便构建更为复杂的无线通信网络，可很好的应用于各种无线产品中以及应用于小型无线网络、无线抄表、小区传呼、工业数据采集系统、安全防火系统等领域1。近十几年来，随着移动通信技术飞速发展，越来越多的信息采集和远程控制系统采用了无线数据传送技术，它与有线数传相比主要有布线成本低、安装简便、便于移动的优点，而且随着互联网技术的迅猛发展和快速普及，越来越多的基于单片机为微控制器的的测控设备或智能仪器仪表都需要通过互联网上进行数据交换或传输数据。1.2无线通信系统的现状及发展了解和比较国内外的无线通信控制系统设计技术的现状，分析其优缺点，对于我们的研究无疑是非常必要的。从七十年代，国内外人们就开始了无线通信系统的研究。在整个八十年代，伴随着以太局域网的迅猛发展，以具有不用架线、灵活性强等优点的无线通信网络以己之长补“有线”所短，也赢得了特定市场的认可，但也正是因为当时的无线网是作为有线以太网的一种补充，遵循了ieee802.3标准，使直接架构于802.3上的无线网产品存在着易受其他微波噪声干扰，性能不稳定，传输速率低且不易升级等弱点，不同厂商的产品相互也不兼容，这一切都限制了无线通信网络的进一步应用。随着电子技术的发展，基于射频技术的无线收发芯片的集成度、性能都大幅度提高，芯片的种类和数量比较多，性能也各有特色。目前，世界各大芯片制造商研制开发出了各种新型射频芯片，使短距离无线通信装置的设计开发趋于容易、便捷、周期短、成本低。此类芯片收发合一，工作频率一般为国际通用的ism频段，无需申请许可证，采用低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用时对周围干扰很小，调制方式大多为ask，fsk，传输速率为几k到几百kbit/s，传输距离受环境影响，一般在几十米到数百米2。无线通信是当前发展最快的技术之一，已渗透到社会的各个角落，有着广阔的市场和业务需要。短距离无线传输具有抗干扰性能强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制少、安装灵活等优点，在许多领域有着广泛的应用前景。低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的实际需求，短距离无线通信逐渐引起关注。1.3本设计的内容及设计指标本设计需要完成的模块功能及设计指标：1.通过rs-232串行接口或usb接口实现pc机与单片机at89s52的串行通信。2.通过nrf2401芯片与单片机at89s52的io口连接实现两者的数据传输。3.通过对nrf2401进行配置实现两个单片机之间的无线数据传输。4.将下位机接收到的数据存储到扩展的外部数据存储器中。本设计的特点：系统由单片机at89s52控制无线数字传输芯片nrf2401,通过无线方式进行数据双向远程传输,两端采用半双工方式通信，该系统具有成本低，功耗低，软件设计简单以及通信可靠等优点。1.4设计的基础知识做好本次设计需要多个方面的只是有全面的了解和掌握。不仅需要硬件电路方面的设计，对于软件编程部分也要有良好的基础。还需要对单片机的应用有深刻的理解和牢固的掌握，例如pc与单片机的串行通信，单片机的外部数据存储器的扩展等。本设计是基于nrf2401射频芯片的无线通信系统，还需要对该芯片有深入的了解。掌握其各个引脚的作用及各种工作方式和原理。同时还要能够运用protel系列软件进行电路图及pcb板的绘制和布线以及使用proteus等仿真软件进行系统仿真。软件部分的编程也需要能够熟练使用keil c51软件。山东科技大学学士学位论文 系统设计方案2系统设计方案2.1设计方案选择和论证无线通信技术迅速发展，有多种通讯方案可供选择，这里从实用，经济和实现等方面进行综合的考虑分析，选出合适的设计方案。2.1.1无线通信方式的比较和选择目前常用的短距离无线通信主要有：蓝牙(bluetooth)，红外数据传输（irda）,无线局域网（wi-fi）以及一些无线收发芯片等。蓝牙：bluetooth是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，但由于芯片大小和价格难以下调，使得许多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。irda：irda是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网(pan)的技术，但它对于点对多点的通信显得无能为力，且红外技术只能在视线可以达到的范围内定向传输，中间不能有任何阻挡，同时要求通信设备的位置相对固定，这样就无法应用于移动设备。wi-fi：wi-fi是以太网的一种无线扩展，主要目的是提供wlan接人，但由于其硬件实现需要很大的容纳空间，且往往在商用计算机系统中实现，这就限制了其在工业领域，尤其是在某些不依赖通用计算机的特殊工业场合的应用。本设计采用射频芯片nrf2401作为无线收发芯片，内置多种功能模块，功耗非常低，节能设计更方便，可以克服以上通信方式的缺点，适用于多种无线通信场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等3。2.1.2微控制器的比较和选择八位单片机由于内部构造简单，体积小，成本低廉，在一些较简单的控制器中应用很广。即便到了本世纪，在单片机应用中，仍占有相当的份额。应用最广泛的八位单片机首推intel的51 系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势。世界有许多著名的芯片公司都购买了51 芯片的核心专利技术，并在其基础上进行性能上的扩充，使得芯片得到进一步的完善，形成了一个庞大的体系，直到现在仍在不断翻新，把单片机世界炒得沸沸扬扬。有人推测，51芯片可能最终形成事实上的标准mcu芯片4。这里只对51系列单片机进行比较。at89cxx系列单片机：该系列单片机是美国atmel公司生产的低电压，高性能cmos 8位单片机。器件采用atmel公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准mcs-51指令系统，片内置通用8为中央处理器（cpu）和flash存储单元，可灵活应用于各种控制领域5。但是该系列单片机最高工作频率为24mhz，处理速度缓慢。且不支持isp在线编程功能，使开发周期变长。c8051f系列单片机：美国silabs公司推出的c8051f系列单片机是一种高集成度的soc型芯片，除兼容mcs-51的微控制器内核、指令系统、数字外设部件外，还具有数据采集和控制系统的模拟部件以及其他数字外设部件，是单片机既能处理数字信号又能处理模拟信号6。但是该系列单片机比较昂贵，考虑到性价比，该系列的单片机并不适用于该无线通信系统。at89sxx系列单片机：该系列单片机基于at89c系列改进而来。在保持原有的功能基础上又增加了一些新的功能，性能有很大的提升。主要有增加了isp在线编程功能，是程序的烧写变得简单易行。最高工作频率由原来的24mhz提升到33mhz，使单片机的运算速度有了很大的提升。同时芯片内部集成了看门狗计时器，不再像at89c那样外接看门狗计时器电路。全新的加密算法，使程序的保密性大大加强7。该系列的单片机在价格上基本不变甚至比at89c的价格更低，功能上也可以完全满足该通信系统的要求。综合考虑性价比和功能的实现要求，本设计采用该系列的at89s52单片机。2.1.3无线收发芯片的比较和选择方案一：cc1100微功率无线数传模块。基本特点有315、433、868、915mhz的ism和srd频段，最高工作速率500kbps，支持2-fsk、gfsk和msk调制方式，可软件修改波特率参数，更好地满足客户在不同条件下的使用要求高波特率，更快的数据传输速率低波特率，更强的抗干扰性和穿透能力，更远的传输距离，较低的电流消耗（rx 5.6ma，2.4kbps，433mhz），可编程控制的输出功率，对所有的支持频率可达+10dbm，无线唤醒功能，支持低功率电磁波激活功能，无线唤醒低功耗睡眠状态的设备，支持传输前自动清理信道访问（cca），即载波侦听系统，快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统，模块可软件设地址，软件编程非常方便，标准dip间距接口，便于嵌入式应用，单独的64字节rx和tx数据fifo8。但是该模块在过高的数据速率会降低接收灵敏度及增大误码率甚至根本无法工作，并且和单片机工作时需要合理的信息码格式，否则会直接影响到数据的可靠收发。方案二：nrf905无线收发模块。基本特点有433mhz开放ism 频段免许可证使用，接收发送功能合一，收发完成中断标志，170个频道，可满足多点通讯和跳频通讯需求，实现组网通讯，内置硬件8/16位crc校验，开发更简单，数据传输可靠稳定，工作电压1.9-3.6v，低功耗，待机模式仅2.5ua，接收灵敏度达-100dbm，收发模式切换时间650us，每次最多可发送接收32字节，并可软件设置发送/接收缓冲区大小2/4/8/16/32字节，模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示），可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便，最大发射功率10毫瓦，发射模式：最大电流p1.5、misop1.6、sckp1.7、/resrst、gndgnd、5vvcc。接口电路如图。图3-17 下载接口3.6各功能模块的整合及实现将各个功能模块连接起来，构成完整的无线通信系统的原理图。见附录。山东科技大学学士学位论文 系统软件设计4系统软件设计程序设计采用模块化设计方法，依据了“任何复杂的程序都可以分解为顺序结构部分、分支结构部分、循环结构部分和子程序部分”的原则，将程序进行分解设计。结构化程序设计具有结构清晰、易于读写、易于验证和可靠性高等特点，在程序设计中被广泛使用，易于文件规范管理。4.1主程序模块模块化程序设计思想是采用自顶向下、逐步求精的方法，将一个复杂的问题分解成若干独立的子问题，每个子问题对应一个功能独立的程序模块，将这些模块有机的连接在一起，构成完整的程序。先进行主程序模块的设计，描述程序的总体框架，在进行子模块的设计，完成相应的子功能。该系统中需要分别设计发送端和接收端的程序。在发送端，首先使其进入发送工作模式ce=1，通过i/o接口装入接收端地址和有效数据，然后启动发送ce=0，发送端等待数据发送完成。当发送完成后模块进入接收状态，接收接收端的应答数据。如果接收到应答数据则返回主函数并通过串口调试助手显示接收到的应答数据。发送端每隔1s检测是否有应答数据，5s 内没有收到接收端应答数据，发送端重新发送数据。发送端程序流程图如图。图4-1 发送端流程图在接收端，使能接收。如果接收到发送端数据，则将接收到的数据送入扩展的外部ram中，并且向发送端发送应答数据。接收端程序流程图如图。图4-2 接收端流程图4.2串行通信模块串行通信模块的程序包括串行口的初始化程序和串行口的数据的收发程序。4.2.1串行口的初始化at89s52单片机内部有一个全双工串行接口,能同时接收和发送数据。串行通信是指数据一位一位地按顺序传送的通信方式，其突出优点是只需一根传输线，可大大降低硬件成本，适合远距离通信。其缺点是传输速度较低。单片机串口相关的寄存器有scon和pcon。串行口工作方式有四种方式，由串行口控制器scon的sm0、sm1控制。定义如表所示。sm0sm1工作方式功能波特率00方式0同步移位寄存器输出方式fosc/1201方式110异步通信方式可变，取决于t1的波特率10方式211异步通信方式fosc/32或fosc/6411方式311异步通信方式可变，取决于定时器1溢出率电源控制寄存器pcon的smod位决定单片机波特率，smod=1，当串行口工作于方式1、2、3 时，波特率加倍。smod=0，波特率不变。串行口的初始化主要是对串行口控制器scon和电源控制寄存器pcon进行初始化，对定时器t1的工作方式和波特率进行设置。mcs-51系列单片机的波特率的设置与工作方式有关，串行口在方式1和方式3时，波特率是控制时钟的1/16。而控制时钟频率=（t1溢出率）/（2smood）。所以波特率=（1/16）（t1的溢出率）/（2smod）=(2smod/32)（t1溢出率）smod是pcon的最高位，smod=1是smod=0时的波特率的两倍，可将smod称为波特率加倍因子。定时器t1初值的计算：th1从初值计数到产生溢出，它每秒溢出的次数称为波特率。t1溢出率=fosc/12256-（th1）下面推导串行口方式1和方式2下计算定时器t1初值th1的公式。波特率v=（2smod/32）t1溢出率t1溢出率=32v/（2smod）由，得fosc/12256-(th1)=32v/(2smod)由得th1初值（th1）=256-（2smod）fosc/384v在计算机与单片机进行通信时，常选择单片机的晶振频率为11.0592mhz，两者容易匹配比特率。本设计中将计算机与单片机的波特率设置为9600b/s，smod=0，通过式可计算出th1初值为250，十六进制为fdh。串行口初始化流程图，图4-3 串口初始化流程图4.2.2串行口数据的收发单片机的全双工串行口可编程为四种工作方式，现分述如下：方式0：方式0为移位寄存器输入/输出方式。可外接移位寄存器以扩展i/o口，也可以外接同步输入/输出设备。波特率固定为fosc/12，其中fosc为时钟频率。方式1：方式1为波特率可变的10位异步通讯接口方式。发送或接收一帧信息，包括1个起始位0，8个数据位和1个停止位1。其中起始位和停止位在发送时自动插入。方式2:：方式2为固定波特率的11位uart方式。它比方式1增加了一位可程控为1或0的第9位数据。方式3：方式3为波特率可变的11位uart方式。除波特率外，其余与方式2相同。单片机串口收发数据流程图如图。图4-4 单片机串口收发数据流程图4.3 nrf2401的无线通信模块4.3.1 nrf2401的初始化nfr2401的初始化主要是对nfr2401的工作方式，接收频道地址，有效数据的长度，发送速率，crc校验等进行设置。mcu通过对nrf2401配置字寄存器写入相关配置字实现对其的初始化。该设计中使nrf2401工作于shockbursttm收发模式，在这种工作模式下，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高。shockbursttm的配置字使nrf2401能够处理射频协议，在配置完成后，在nrf2401工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间的切换。shockbursttm的配置字可以分为以下四个部分：数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数。这使得nrf2401能够区分接收数据包中的数据和crc校验码。地址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数。这使得nrf2401能够区分地址和数据。地址：接收数据的地址，有通道1的地址和通道2的地址。crc：使nrf2401能够生成crc校验码和解码。当使用nrf2401片内的crc技术时，要确保在配置字中crc校验使能，并且发送和接收使用相同的协议。在配置模式下，注意保证pwr_up引脚为高电平，ce引脚为低电平。配置字从最高位开始，一次送入nrf2401。在cs引脚的下降沿，新送入的配置字开始工作。nrf2401初始化流程图如图。图4-5 nrf2401配置流程图4.3.2 nrf2401数据的shockbursttm收发shockbursttm 发射流程1.接口引脚为ce，clk1，data2.当微控制器有数据要发送时，其把ce 置高，使nrf2401 工作；3.把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nrf2401；4.微控制器把ce 置低，激发nrf2401 进行shockbursttm 发射；5.nrf2401 的shockbursttm 发射6.给射频前端供电；7射频数据打包(加字头、crc 校验码)；8.高速发射数据包；9.发射完成，nrf2401 进入空闲状态。shockbursttm 发射流程图如图。图4-6 nrf2401发送数据流程图shockbursttm 接收流程1.接口引脚ce、dr1、clk1 和data(接收通道1)2.配置本机地址和要接收的数据包大小；3.进入接收状态，把ce 置高；4.200us 后，nrf2401 进入监视状态，