毕业设计（论文）-简单自组网无线节点设计与实现.doc

中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书目 录1 绪论11.1 无线网络的介绍11.2 国内外研究现状11.3 课题研究的背景和意义31.4 课题的基本原理41.5 本文的主要工作和论文的安排52 短距离无线数据传输系统设计72.1 系统分析72.2 关键设备72.2.1 射频收发芯片nRF240172.2.2 单片机AT89C51RB2132.2.3 电源部分212.3 本章小结223 基于nRF2401的短距离无线通信系统硬件设计233.1 射频电路设计233.2 单片机控制部分的设计243.3 单片机AT89C51RB2和nRF2401的接口电路253.3.1 SPI接口介绍253.3.2 操作模式273.3.3 波特率的设置283.3.4 错误控制293.3.5 寄存器303.3.6 nRF2401的SPI口实现323.4 单片机AT89C51RB2和计算机的接口电路333.5 系统电源部分的设计353.6 本章小结364 基于nRF2401的无线收发模块的软件设计374.1 总体设计374.2 各模块设计394.3 本章小结41结论42附录43参考文献44致 谢45第 II 页 共 II 页中北大学信息商务学院2011届毕业设计说明书1 绪论1.1 无线网络的介绍所谓无线网络，既包括允许用户建立远距离无线连接的全球语音和数据网络，也包 括为近距离无线连接进行优化的红外线技术及射频技术，与有线网络的用途十分类似，最大的不同在于传输媒介的不同，利用无线电技术取代网线，可以和有线网络互为备份。目前无线移动网络有两种：第一种是基于基础设施的网络，如无线局域网。第二种为无基础设施的网络称之为无线自组织网即所谓的Ad Hoc网络。而我们课题设计与研究的就是后者Ad Hoc网络。Ad Hoc源于拉丁语，意思是“for this”，即“专用的、特定的”。Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳临时性自治系统，移动终端具有路由功能，可以通过无线连接构成任意的网络拓扑，这种网络可以独立工作，也可以与Internet或蜂窝无线网络连接1。1.2 国内外研究现状Ad Hoc网络当前的研究成果主要集中在欧美，卡内基梅隆大学的MONARCH（Mobile Networking Architectures）项目组建立了移动Ad Hoc网络的测试平台，现在该项目在Rice大学研究，主要开发自适应无线网络协议和协议接口。欧洲考虑将移动Ad Hoc网络作为中继，从而可以扩大第二代及第三代移动通信系统的覆盖范围和提高在网络发生故障时系统的鲁棒性，目前己经建立了A-GSM（Ad Hoc GSM）的试验系统。Internet工程任务组（IETF，Internet Engineering Task Force）也成立了一个移动Ad Hoc网络工作组，目标是针对Ad Hoc这种无线多跳网络开发一种基于IP协议的路由机制，使得IP协议扩展到这种自组织的、快速移动的无线网络。IETF也将Ad Hoc网络称为MANET（Mobile Ad Hoc Networks），并公布了一系列的有关Ad Hoc路由的草案，因此MANET和Ad Hoc网络这两个词表达的意思相同。90年代以来，移动Ad Hoc网络的研究在世界范围内方兴未艾，已经从无线通信领域中的一个小分支逐渐扩大到相对较独立的领域。目前，无论在国际上，还是在区域上（欧洲和亚洲等地区），周期性的Ad Hoc网络学术会议日益增多。总结国内外研究现状，Ad Hoc网络成果主要在以下几个方面2： （1）提出新的路由协议。Ad Hoc路由面临的主要挑战是：传统的保存在结点中的分布式路由数据库如何适应网络拓扑的动态变化。新协议一般以广播或组播方式建立网络路由，核心是减少广播风暴。目前，一般普遍得到认可的代表性成果有DSDV、WRP、AODV、DSR、TORA和ZRP等。源头性的创新性研究主要集中在2001年以前，后续的成果多为这些协议的改进，目前，路由协议的研究仍然是Ad Hoc网络成果最集中的部分。不过，从实现的难度来看，这些协议离适用性还有一定的距离。（2）提出基于Ad Hoc网络的媒体接入控制（MAC）协议。主要是解决隐藏终端和暴露终端问题，影响比较大的有MACA协议，即RTS/CTS/ACK方案，控制信道和数据信道分裂的双信道方案和基于定向天线的MAC协议，以及一些改进类的MAC协议。有一些研究则是侧重于将IEEE 802.11的MAC协议移植到Ad Hoc网络中。基于定向天线的MAC协议在理论上性能较为优越，但在技术上实现的难度较大。（3）Ad Hoc网络与蜂窝网的互连互通。文研究并提出了一种iCAR（internet Cellular and Ad hoc Realy）系统，提供蜂窝小区内信号的补盲。该方案给出了在加入补盲点之后系统性能改善的性能评价。从结果看，该系统只是针对目前的2G系统，尚无法联系到基于IP方式的分组网络。最近，文提出了一种在蜂窝网上覆盖一个无线多跳网络的方案，其中用一些无线路由器来代替蜂窝网络中的一些结点。该结构与所提一致，但通过优化路由、信道规划和功率控制等使系统在发射功率受限的情况下达到系统吞吐量最大化，其他方面没有太多的贡献。（4）基于Ad Hoc网络的多播/组播协议、TCP协议、地址分配、功率（节能）控制、安全性问题、分布式算汉、QoS等方面有一些研究成果，但各部分的数量相对较少。其中，比较有意思的有，文试图把移动IP扩展到Ad Hoc网络，基本方案是要用特定的RIP协议（Routing Information Protocol）作为路由协议，但这种方案与Ad Hoc网络的其他路由协议不相容。（5）在实验和应用网络的构建上，最近比较值得注意的是，一些学者正在研究用蓝牙节点组建Ad Hoc网络。就蓝牙本身的技术来说，蓝牙可以组成微微网（piconet），微微网通过桥节点（bridge）互连，可以形成多跳的Ad Hoc网络，也称为蓝牙散射网（scatternet）。蓝牙规范尚未对蓝牙微微网之间的通信和基于蓝牙的Ad Hoc网络的形成等内容做出具体描述，这是一个开放的问题，目前已有一些文献针对基于蓝牙的Ad Hoc网络的形成提出了各种不一样的协议或方案。（6）国内学者所发表的Ad Hoc网络的研究成果较少。从2001年起，开始有少量成果发表，研究类的论文大约有数十篇，主要成果基本上集中在路由协议的一些改进，少量成果涉及MAC协议的研究。可以说国内在该研究领域是刚刚起步3。1.3 课题研究的背景和意义Ad Hoc网络的前身是分组无线网（PRNET，Packet Radio Network）。1972年美国国防预先研究计划局（DARPA，Defense Advanced Research Projects Agency）启动了PRNET项目，研究在战场环境下利用分组无线网进行数据通信。此后DARPA于1983年启动了高残存性自适应网络（SURAN，Survivable Adaptive Network）项目，研究如何将PRNET的研究成果加以扩展，以支持更大规模的网络。1994年DARPA启动全球移动信息系统（GloMo，Globle Mobile Information Systems）项目，旨在对能够满足军事应用需要的、可快速展开、高抗毁性的移动信息系统进行全面深入的研究。成立于1991年5月的IEEE802.11标准委员会采用“Ad Hoc网络”一词来描述这种特殊的自组织对等式多跳移动通信网络，Ad Hoc网络就此诞生。 随着人们对摆脱有线网络束缚、随时随地可以进行自由通信的渴望，近几年来无线网络通信技术得到了迅速的发展。人们可以通过配有无线接口的便携计算机或个人数字助理等来实现移动中的通信4。常见的移动通信网络通常是以蜂窝网络或无线局域网等形式出现的。在蜂窝网络中，移动终端之间的通信必须借助于基站转接完成；在无线局域网中，移动终端通过无线接入点连接到现有的固定网络。这些移动通信网络和无线通信技术是对固定有线网络的补充和发展，它们需要固定基础设施的支持，并且一般采用集中式控制的方式。在某些特殊环境或紧急情况，有中心的移动通信技术不能胜任。如战场上部队快速展开和推进、发生地震等自然灾害后的搜索和营救、野外科学考察、偏远山区、临时会议等。需要一种不依赖于固定基础设施，并且能够快速和灵活配置的移动通信网络技术，Ad Hoc网络就是为满足这种特殊应用需求而产生的。Ad Hoc网络不需要基础设备的支持，而是通过移动节点自由组网实现通信。网络中移动节点同时具有多址接入和网络路由的能力，节点借助于多址接入协议共享无线资源，通过路由协议存储及转发数据。移动节点等效于一个完整的无线路由器，数据在Ad Hoc网络中的传播可以通过直接连接方式发送，即一跳连接；也可以通过多个节点转发，即多跳连接方式。Ad Hoc网络的出现推进了人们实现在任意环境下自由通信的进程，同时也为军事通信和临时通信提供了有效的解决方案5。1.4 课题的基本原理Ad Hoc网络是一种没有有线基础设施支持的移动网络，网络中的节点均由移动主机构成。Ad Hoc网络最初应用于军事领域，它的起源于战场环境下分组无线网数据通信项目，该项目由DARPA资助，其后，又在1983年和1994年进行了抗毁可适应网络SURAN(Survivable Adaptive Network)和全球移动信息系统GloMo(Global Information System)项目的研究。由于无线通信和终端技术的不断发展，Ad Hoc网络在民用环境下也得到了发展，如需要在没有有线基础设施的地区进行临时通信时，可以很方便地通过搭建Ad Hoc网络实现。在Ad Hoc网络中，当两个移动主机在彼此的通信覆盖范围内时，它们可以直接通信。但是由于移动主机的通信覆盖范围有限，如果两个相距较远的主机要进行通信，则需要通过它们之间的移动另一个主机的转发才能实现。因此在Ad Hoc网络中，主机同时还是路由器，担负着寻找路由和转发报文的工作。在Ad Hoc网络中，每个主机的通信范围有限，因此路由一般都由多跳组成，数据通过多个主机的转发才能到达目的地。故Ad Hoc网络也被称为多跳无线网络。Ad Hoc网络可以看作是移动通信和计算机网络的交叉。在Ad Hoc网络中，使用计算机网络的分组交换机制，而不是电路交换机制。通信的主机一般是便携式计算机、个人数字助理(PDA)等移动终端设备。Ad Hoc网络不同于目前因特网环境中的移动IP网络。在移动IP网络中，移动主机可以通过固定有线网络、无线链路和拨号线路等方式接入网络，而在Ad Hoc网络中只存在无线链路一种连接方式。在移动IP网络中，移动主机通过相邻的基站等有线设施的支持才能通信，在基站和基站(代理和代理)之间均为有线网络，仍然使用因特网的传统路由协议。而Ad Hoc网络没有这些设施的支持。此外，在移动IP网络中移动主机不具备路由功能，只是一个普通的通信终端。当移动主机从一个区移动到另一个区时并不改变网络拓扑结构，而Ad Hoc网络中移动主机的移动将会导致拓扑结构的改变6。1.5 本文的主要工作和论文的安排随着技术的发展，在进行短距离无线通信时，现已有多种技术方案可供选择。在一些如无线抄表、无线点菜等低成本应用场合，Nordic的nRF2401由于较低的价格、简单的开发，在低成本应用场合显示了独特的优势。本文的具体工作如下:(1)本文首先介绍了ad hoc无线数据通信技术的特点和应用。(2)分析了Ad Hoc网络中的节点不仅要具备普通移动终端的功能，还要具有分组转发能力，即要具备路由器的功能。通信距离在10米左右，具有数据通信的功能，并且能同时传输和接收。(3)基于前面的需求分析，设计了一个点对点的数据传输系统，给出了系统的构成框图并分析了其工作原理。在比较了现有的几种短距离无线数据通信技术的特点后，决定Nordic公司的nRF2401芯片和ATMEL公司的单片机AT89C51RB2。nRF2401及一些外围元件组成其无线收发模块，AT89C51RB2为其控制模块。文中详细介绍了采用的主要芯片的结构和原理，并详细描述nRF2401的配置，CRC码的原理，及AT89C51RB2和nRF2401之间的SPI接口。完成了单片机和nRF2401的程序设计。(4)给出了调试时，应该注意的问题，给出了参考意见。(5)为提高系统性能，增加传输距离，提出了合理制板和采用 PA (PowerAmplify)的解决方案。文中对模拟、数字和射频混合制板时可能会出现的问题进行了深入的分析，提出了合理的解决方案和措施。在合理制板的基础上，进一步提出采用PA以增加传输距离。分析了采用PA时会出现的问题，给出了详细的解决方案。本文的安排:第1章 介绍了ad hoc无线数据通信技术的特点和应用第2章 分析了短距离ad hoc通信系统。根据系统需求，选择了无线收发一体芯片nRF2401和AT89C51RB2，详细分析了这些芯片的功能。第3章 给出了无线短距离通信系统的硬件设计。分别具体讲解了各个部分的元件、功能和设计图。第4章 给出了无线短距离通信系统的软件设计。2 短距离无线数据传输系统设计2.1 系统分析在做课题和科研的过程中，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10米左右，具有数据通信的功能一个典型的系统如图2.1:微机单片机射频部分微机单片机射频部分图2.1 典型无线网络通信系统示意图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。2.2 关键设备2.2.1 射频收发芯片nRF2401由于无线收发芯片的种类很多，如表2.1。如何设计选择芯片是至关重要的。正确的选择可以使开发工作少走弯路,下面是选择芯片中应注意的问题。收发芯片数据传输的编码方式：采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编码大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标称速率的1/3。而采用串口传输的芯片，如Nordi。公司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7。外围元件的数量:芯片外围元件的数量决定了模块的体积和重量，以及整个系统的复杂性。因此应该选择外围元件少的收发芯片。这方面nRF2401是一个较为理想的选择。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。功耗:由于无线收发芯片是应用在一些移动的产品,所以电力消费是非常重要的,应根据需要选择综合能耗较小的模块。发射功率:在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率较高的产品。收发芯片的封装和管脚数:较少的引脚以及较小的封装，有利于减少PCB的面积，适合测控系统的设计。表2.1 无线收发芯片BrandnRF2401NordicRF2915RFMDBC418BluechipXC1201XemicsCC400ChipCon工作电压1.9-3.6V2.4-5.0V2.5-3.4V2.4-5.5V2.7-3.3数据是否可以直接接单片机串口使用可以直接接单片机串口数据无需曼彻斯特编码效率高不能直接接单片机串口数据需要进行曼彻斯特编码，效率低不能直接接单片机串口,数据需要进行曼彻斯特编码，效率低不能直接接单片机串口，数据需要进行曼彻斯特编码，效率低不能直接接单片机串口，数据需要进行曼彻斯特编码,效率低最大输出功率+4dBm+5dBm+12dBm+5dBm+14dBm速率1Mbps9. 6Kbps128Kbps(外部调制)2. 4Kbps(内部调制)64Kbps9. 6Kbps需要外接天线的数量11221外围元件数量约 2约50个50个两根大线约35个:一根天线约20个25个考虑到各种因素本方案最后选用nRF2401无线收发一体芯片。nRF2401芯片和蓝牙芯片一样，都工作在2.4GHz自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。nRF2401支持多点间通信，最高传输速率超过1Mbit/S，而且比蓝牙具有更高的传输速度。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。与蓝牙不同的是，nRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF2401比蓝牙产品更便宜。所以nRF2401是业界体积较小、功耗较少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。(1)主要特点nRF2401的引脚排列如图2.2所示。它采用5mm5 mm的24引脚QFN封装。表2.2所列是其引脚功能。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)高于蓝牙，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100%RF检验;带有数据时隙和数据时钟恢复功能8。nRF2401引脚分布图图2.2 nRF2401的引脚排列图nRF2401的内部结构原理及外部组成框图如图2.3所示：图2.3 nRF2401的内部结构原理(2)管脚功能表2.2 nRF2401管脚功能管脚名称管脚功能备注1CE数字输入用于激活芯片的接收或发送模式2DR2数字输出数据通道2接收数据准备好输出，表示可以接收数据3CLK2数字输入/输出接收数据通道的时钟输出/输入4DOUT2数字输出接收数据通道2的输出5CS数字输入片选，用于激活配置模式6DRI数字输出该脚输出可用于表示数据通道 1接收数据准备好7CLK1数据输入/输出在数据通道1的3-线接口发送时钟输入和接收的时钟输出/输入8DATA数据输入/输出接收通道1/发送数据输入/3-线接口9DVDD功率数字电源正端，使用时应退祸10VSS功率接地 (ov)11xc2模拟输出晶振接入端12xcl模拟输入晶振接入端13VDD_PA功率输出功率放大器电源端14ANTI射频天线接口115ANT2射频天线接口216VSS_PA功率接地 (OV)17VDD功率+3VDC电源端18vss功率接地 (OV)19IREF模拟输入参考电流输入端20VSS功率接地 (OV)21VDD功率+3V DC电源端22VSS功率接地 (OV)23PWR_UP数字输入功率上限24VDD功率+3V DC电源端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1，1, 0, 1, 0, 1或1, 0, 0时，芯片分别处于激活、配置或保持方式。当PWR_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)状态字各状态字位功能如下:表2.3 Nrf2401的状态字位置个数名称功能ShockBurst模式设置143-12024TEXT测试保留119-1128DATA2_W通道2数据段长度111-1048DATA1_W通道 1数据段长度103-6440ADDR2通道2硬件地址63-2440ADDR1通道1硬件地址23-186ADDR_W地址段长度171CRC_L检验段长度，值为1,是16hit，为0是Shit161CRC_EN检验使能，值为1，是校验有效，为0是无效一般设置151RX2_EN启用通道数，值为1，是两通道，为0是单通道141CM通信模式，值为1，表示突发模式，为0表示直接传递模式131RFDR_SB通信数率，值为1，表示lkb1t/s，为0表示250kbit/s12-103XO_F晶振频率，值为011时。表示16MHz9-82RF_PWR输出功率，值为17-17RF_CH#设置工作频率，值为X，则通道1为2400MH+X*1.0MHz01RXEN工作状态，值为1表示接收状态，为0表示发送状态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写人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。PRE-AMBLE为数据包头，可设为4bit或8bit。它的值与ADDRESS第1位有关。当ADDRESS第1位为0时，包头取值为，“01010101”，反之则为 “10101010”。一帧数据从ADDRESS到CRC最多包含256bit。ADDRESS为接收方通道硬件地址段，可设为8bit-40bit，只有符合本机硬件地址的数据帧才会被接收。CRC为数据校验段，可设定86it或l6bit校验位。PLYLOAD段为待发送数据段，长度为帧长度减去ADDRESS段和CRC段的长度。发送数据时，控制器将数据写入nRF2401,控制其将数据按帧格式打包无线发送;接收数据时，nRF2401一旦检测到符合本机硬件地址的数据帧，便将数据帧解包，DR信号置1提请控制器读取数据9。(4)工作模式nRF2401具有多种工作模式，下面主要介绍ShockBurst模式。nRF2401的ShockBurst RX/TX模式采用片上先进先出(FIFO)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。ShockBurst TM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监测信息入200s，若收到有效数据包，则给MCU一个中断并置DRl为高电平，以使MCU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;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。2.2.2 单片机AT89C51RB2单片机是把CPU、内存及I/0压缩在同一块芯片上，再外加一些电子元件便以构成一套简易的控制系统。如此一来可以降低硬件成本，由于单片机芯片设计制造技术的限制，在面积有限的芯片上无法设计出太大的内存空间，因此单片机ROM及RAM的容量都比较小，不过却也加入了位输入输出控制，计时计数器及外中断的控制功能，有些单片机还有串行传输的接口，甚至还提供A/D(模拟至数字换)及D/A(数字至模拟转换)的接口，真可谓麻雀虽小五脏俱全。8051是INTEL公司开发出来的一块相当成功的单片机，现在己普遍地应用在业界中，由于其使用的普及，因此日前有好多家设计半导体芯片的公司也制造8051兼容的单片机，有些公司所制造出来的单片机其执行速度更快，可以高达MHz。Atmel公司的AT89C51RB2单片机是8051的兼容机，是一种低功耗、高性能8位CMOS单片机。片内含有16KB Flash ROM, 1280字节RAM, 8位数据总线，4串行I/0端口，32条I/0线，3个l6位定时/计数器19个中断源，片内振荡器时钟电路，工作频率40MHz工作电压范围为2.7-5.5V(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（1）具有ISP (In-system Programming)串行在线下载擦写功能，可直接在路板上进行程序修改、烧录等操作。（2）具有一片1024Bytes的扩展RAM (XRAM)（3）具有键盘中断接口P1（4）主从模式的同步串行SPI (Serial Peripheral Interface)接口（5）8-bit的时钟预换算装置（6）改进的X2模式，可以独立选择CPU和每个外设（7）可编程的5通道计数阵列（8）异步RESET端口（9）全双工增强型通用串行接口UART（10）UART专用的波特率发生器（11）硬件的看门狗计时器（12）具有休眠省电功能 (Power-down)和闲置 (Idle)低功耗功能 AT89C51RB2设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的省电模式。在闲置模式 (Idle)下，CPU停止工作，但RAM、定时器、计数器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式 (Power-down)下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止芯片的所用其他功能，直到下一个硬件复位为止10。三种封装形式:PDIL40, PLCC44, VQFP44，其中PLCC44如图2.4图2.4 AT89C51RB2的PLCC44封装（1）管脚说明和主要特性：VCC:供电电压。GND:接地。PO口:PO口为一个8位漏级开路双向I/0口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。PO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。在F工ASH编程时，PO口作为原码输入口，当FLASH进行校验时，PO输出原码，此时PO外部必须被拉高。P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/0口，P1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/0口，P2口缓冲器可接收，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/0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 (ILL)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/ INTO(外部中断0)P3.3/INT0 (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。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SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOM 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 (OOOOH-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。XTALI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/0寄存器:P0, P1, P2, P3时间寄存器:T2CON, T2MOD, TCON, THO, THI, TH2, TMOD, TLO, 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:IENO, IPLO, IPHO, IENI, IPLI, IPH1键盘接口寄存器:KBE, KBF, KBLSSPI寄存器:SPCON (SP控制寄存器)，SPSTR (SP状态寄存器)，SPDAT (SP数据寄存器)波特率发生器寄存器:BRL, BDRCONFLASH寄存器:FCON时钟预比例器寄存器:CKRL其他寄存器:AUXR, AUXRI, CKCONO,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，下表2.4是其中断程序执行的向量表及中断控制标志列表:图2.5 AT89C51RB2的内部结构表2.4 中断程序执行的向量表中断源工作标志向量地址外部中断0IEO03H计时器0IEO03H外部中断1IE113H计时器 1TF11BH串行端口传输T123H串行端口接收R123H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是存特殊功能寄存器WON中的各个位，当某种中断源产生中断时便将设定相对的中断工作标志，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T1，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 R1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T1或是由R1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11。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:表2.5 寻址说明表B7B6B5B4B3B2B1B0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0TF1(TCON.7):计时器1溢出标志，当计时溢出时，由硬件设定为1,过相对的中断服务程序后则自动清除为O。TRI(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，TRI=O,时关闭。TFO(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。TRO(TCON.4):计时器0启动控制位，可以由软件来设定或清除。TRO=1时，启动计时器工作，TRO=O时关闭。IEI (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。IEO (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。ITO (TCON. 0):外部中断0工作形式选择，工TO=1时为下降沿产生外部中断，ITO=O时为低电位产生中断。IE:中断允许寄存器可位寻址，地址A8H1用来允许各种中断信号的产生，各个位说明如下:表2.6 寻址说明表B7B6B5B4B3B2B1B0EA-ET2ESET1EX1ET0EX0EA(IE. 7) :EA=O时，所有中断停用(中断个产生)。EA=1时，各中断的产生由个别的启动位决定。-(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=O停用ET1(IE.3):允许计时器1中断。EX1(lE.2):允许外部中断INT1的中断。ETO(IE.1):允许计时器0中断。EXO(IE.0):允许外部中断INTO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中断源外中断 INTO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:表2.7 寻址说明表B7B6B5B4B3B2B1B0PT2PSPT1PX1PT0PX0B7B6B5B4B3B2B1B0PT2PSPT1PX1PT0PX0-(IR.7) :保留。-(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。PTO (IP.1) :设定计时器0的优先顺序。PXO (IP.0) :设定外部中断工NTO的优先顺序。(4)单片机的串口通信AT89C51RB2不仅提供全双工 (Full Duplex)传输的功能，并且以缓冲式的接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，但是程序写法却是最复杂的。另外接收模式、缓冲式是串行接口接收到1个字节的根据,收到后仍可继续下一个字节的数据。如果一个字节,第二笔之前去读数据将覆盖掉上数据的一个字节,导致数据丢失。所以,如果你想要正确的进行串行数据,最好是把程序写的串行传输中断处理,这样才不会造成太多的错误。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，之后的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。AT89C51RB2串行传输共有4种模式可供选择，其功能几乎可以涵盖所以串行传输的各项应用。串行传输模式0此模式下，串行数据由RxD脚送出或读入，而TO产生串行数据在移位时所必须的脉冲，并且此脉冲的频率固定是系统石英晶体频率的1/12，刚好是8051一个机器周期的时间。串行传输模式 1此模式下每次总共送出或接收10个位的数据，包括1个Star bit, 8个数据位和1个Stop bit，其传输速率可通过计时/计数器来设置。若考虑到与PC的连线此模式是唯一的选择。串行传输模式2此模式较模式1多出1位，每次可以送出或接收11个串行数据，其中包括了个Star bit,8个数据位，1个可程序规划设置的第9个数据位和最后的Stop bi其传输速率仅有两种选择，分别是系统石英晶体频率的1/32或是1/640串行传输模式3每次传送或接收11个位的数据，包括了数据开头的1个Star bit, 8个数据位、1个可程序规划设置数据位和数据最后的Stop bit，和模式2不同的是此模式的串行传输速率是可变的12。2.2.3 电源部分作为整个系统的电源，选用LMllM117。它只需2个外围电阻，便可提供1. 25V-13. 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MAX3232Eo 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PP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，复脉宽200ms。 2.3 本章小结本章在分析了短距离无线数据传输系统要求的基础上选择了nRF2401和AT89C51RB2作为实现功能的主要芯片。详细分析了这2块芯片的功能和特点。为下面的具体设计做了充分的准备工作。3 基于nRF2401的短距离无线通信系统硬件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。3.1 射频电路设计系统的射频电路由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。表3.1 射频电路的主要元件元件描述尺寸数值误差单位C5陶瓷电容，50V, NPO0603335%nFC6陶瓷电容，50V, NPO060315%nFC7陶瓷电容，50V, NPO0603105%nFC8陶瓷电容，50V, NPO060315%pFC9陶瓷电容，50V, NPO060315%pFC16陶瓷电容，50V, NPO0603225%pFC17陶瓷电容，50V, NPO0603225%pFC18陶瓷电容，50V, NPO06032.25%pFC19陶瓷电容，50V, NPO06034.75%pFC21陶瓷电容，50V, NPO06032.25%pFC22陶瓷电容，50V, NPO06034.75%pFR7电阻06031.01%MR8电阻0603221%KU3Nrf2401QFN/55Y2晶振，CL = 12pF,ESR400LHW=4.02.50.81630PPMMHzL1线绕电感06035.65%nH