ATRF401的微控制器接口.doc

The University of South China通信原理课程设计题 目 : 学院名称 : 2010年6月17日目录：芯片简介3芯片封装与引脚功能5内部结构与工作原理7应用电路设计及应用例11结论20（1）芯片简介 nRF401是北欧集成电路公司（NORDIC）的产品，是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片，满足欧洲电信工业标准（ETSI）EN300 200-1 V1.2.1。它采用FSK调制解调技术，最高工作速率可以达到20K，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。 nRF401的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。它要求非常少的外围元件（约10个），无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一。无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，有两个工作频宽（433.92/434.33MHz）,工作电压范围可以从2.7-5V，还具有待机模式，可以更省电和高效。 nRF401无线收发芯片的结构框图：内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。发射电路包含有：射频功率放大器、锁相环（PLL），压控振荡器（VCO），频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器，产生电路所需的基准频率。 其主要特性如下: 工作频率为国际通用的数传频段 FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合； 采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好； 灵敏度高，达到-105dBm（nRF401）； 功耗小，接收状态250 A，待机状态仅为8 A（nRF401）； 最大发射功率达 +10dBm ； 低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备的要求； 具有多个频道，可方便地切换工作频率 ； 工作速率最高可达20Kbit/s（RF401）； 仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试； 因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米 (与具体使用环境及元件参数有关)。（2）芯片封装与引脚功能 nRF401无线收发芯片具有20个引脚。 TX与RX之间的切换 当从RX切换到TX模式时,数据输入脚(DIN)必须保持为高至少1ms才能收发数据。当从TX切换到RX时，数据输出脚（DOUT）要至少3ms以后有数据输出。 Standby与RX之间的切换 从待机模式到接收模式，当PWR_UP输入设成1时，经过tSR时间后,DOUT脚输出数据才有效。对 nRF401来说，tST最长的时间是3ms.从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是tST。Power Up与TX间的切换 从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时，TXEN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据。从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据，DOUT也不会有数据输出，直到电压稳定达到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振荡器，这个时间可以缩短到3ms。工作频率为国际通用的数传频段 FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合； 采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好； 灵敏度高，达到-105dBm（nRF401）； 功耗小，接收状态250 A，待机状态仅为8 A（nRF401）； 最大发射功率达 +10dBm ； 低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备的要求； 具有多个频道，可方便地切换工作频率 ； 工作速率最高可达20Kbit/s（RF401）； 仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试； 因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米 (与具体使用环境及元件参数有关)。（3）内部结构与工作原理表是NRF401电气性能参数 Paremeters Value Unit 工作频道 433.92/434.33 MHz 调制方式 FSK 频偏 15 KHz 谢频输出功率 0.4k,3v 10 dBm 接收灵敏度 0.4k,BR=20 kbit/s BER433.92MHz(Channel#1) CS=1=434.33MHz(Channel#2) 13 VDD 电源电源端口 (+3-5V DC) 14 VSS 地地 (0V) 15 ANT2 输入/输出天线接口 16 ANT1 输入/输出天线接口 17 VSS 地地 (0V) 18 PWR_UP 输入电源 开/关 PWR_UP=1 =Power up (Operating mode) PWR_UP=0 =Power down (Standby mode) 19 TXEN 输入工作模式 TXEN = 1 = Transmit mode TXEN = 0 = Receive mode 20 XC2 输出参考振荡器输出端 图1是RF401的典型应用电路，图中天线口ANT1 ANT2输出至一600 的印制天线,C10 C11为天线回路的皆振电容，R4的作用是适当降低天线回路的Q值.该电路的最大发射功率为10dBm,接收灵敏度高达-105dBm.开阔地的使用距离最远可达1000米。如需要加大使用距离可在ANT1 ANT2输出口加一600-50平衡非平衡变换电路并接入输入输出放大和转换电路. 图2是用NRF401构成的高可靠无线遥控电路。 该电路即是发射电路也是接收电路.采用单片机IC2.PIC16C57控制NRF401的收发状态,同时单片机还同时完成编解码等工作。在发信状态时IC2接收到按键按下的低电平信号,从脚送出高平使NRF401进入发射状态.同时随机选通不同的晶体并在CS的配合下使发射频率在4.44.6种之间跳变.在每个频点DIN传送两频相同的数据信息.燃后跳到下一频点.其传送时序如下图. 无按键按下时为接收状态,此时IC2 脚送出低电平使NRF401进入接收状态.同时按顺序选通各个的晶体并在CS的配合下使接收频点在4.44.从低至高顺序变化.每个接收频点工作时间为发射频点工作时间的7倍.以保证在每个接收频点的工作时间内能接收到一次完整的发射信息.接收工作时序如下图. 接收到的信息经IC2处理解码后从相应的按键口送出.由于接收状态的每一频点的工作时间是发射的7倍.因此当几个发射跳频图普不同的发射同进工作时.接收能分时接收每个发射的信息作出相应输出.在具有多个遥控器的遥控系统中保证了在两个以上遥控器同时使用时,每一个遥控器的控制信息都能得到执行.克服单一工作频率的遥控系统中不能两个遥控器同时使用的问题.同时多频点工作方式也大大加强了系统的抗干扰能力.在要求可靠性非常高的遥控系统中遥控器能通过接收器反送回的息了解操作是否得到执行. 电路中EEPROM用于存放发射频率跳变的顺序和编码数据.（4）应用电路设计及应用例用nRF401芯片实现微机无线数据传输摘要：介绍了利用无线收发芯片nRF401实现PC机和单片机无线数据传输系统数据传输可靠性高，功能易扩展，适于多种应用领域美键词：nRF401芯片无线收发控制模块；单片机；无线数据传输随着人类社会的发展与进步，人类对通信的依赖程度越来越高，无线通信以其不需铺设明线，使用便捷等特点，在现代通信领域占据重要地位目前国内微机网络多为有线通信方式有线通信的优点是数据传输可靠性较高，但需要铺设较多明线而有些领域由于条件所限，难以铺设线路，这时就需要无线通信来解决问题作者利用nRF401无线收发芯片成功实现了PC机与多台单片机以无线方式通信，并将其应用于智能小区抄表系统的数据传输部分，使用效果良好1 系统概述典型的无线通信系统由信源、信源编码、调制、发射、接收、解调、解码和信宿等部分组成本系统以一台PC机作为主控机，i台单片机作为从机(i=1，2，)，组成了微机网络PC机向众多从机发出地址，从机接收到以后，均与本机地址相比较，若不相符则退出，相符则回发本机地址作为应答，主控机接收到从机回发地址以后，立即向响应从机发出命令，从机接收到命令，经判别后执行相应动作。数据传输均通过无线芯片nRF401完成系统结构图如图1所示 图1微机无线网络结构囤2无线收发芯片nRF401简介nRF401是挪威Nordic公司新推出的一种集发射和接收为一体的无线数传芯片，它在一个20脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换等功能，工作在433 MHz频率上，采用了移频键控进行调制解调，能够以20 Kbits的比特率进行无线数据传输nRF401集成度高，工作频率稳定可靠，外围元件少，功耗极低，适合于便携式及手持产品的设计由于采用了低发射功率和高接收灵敏度的设计，因而可满足无线电管制要求，无需申请许可证，是目前低功率无线数传的理想选择图2为nRF40I的典型应用电路 图2 nRF401的典型应用电路nRF401有三种工作模式：收模式、发模式和等待模式在等待模式下，系统的功耗可以达到很小的值两个通信信道分别为43392 MHz和43433 MHznRF401的工作模式可由3个引脚设定，分别是TXEN，cs和PWR UP因此可通过单片机控制nRF401的工作模式，使其处于接收、发射、等待任一种状态，实觋双工通信由于无线通信的外部条件较为恶劣，对系统的要求比较高，单片机以其可靠的稳定性能够满足要求表1为nRF401的工作模式与控制方式 3无线收发控制模块PC机通过RS一232串口与从机通信，不仅要发送命令控制nRF401的工作模式，同时还要接收从机上传的数据，这是难以实现的：“用单片机控制nRF401向从机发送地址帧和命令帧，同时接收从机上传的数据由于MCS一51单片机只有一个串口，系统扩展块可编程串行接口芯片8251A，实现PC机与单片机通信，单片机则通过串u与nR401通信无线收发控制模块具体实现电路如图3所示单片机的P15，P16，P17分别与nRF401的cs，PWR UP，TXEN相接，以控制nRF401的工作模式单片机的ALE端输出频率经CD4024分频后作为8251A的发送和接收时钟信号，8251A的CD和CS引脚分别接单片机的P26和P27因此，8251A的控制宁和状态寄存器的地址为7FFFH，数据缓冲区地址为3FFFH 围3无线收发控制模块原理圈4无线收发控制模块主程序无线收发控制模块8251A接收到来自主机发来的数据后，RXRDY输出高电平，经反向后作为中断请求信号加于单片机的1NTl引脚单片机响应中断请求，接收数据并通过串行口发往从机当从机上传数据到达时，单片机接收并经由8251A传给主机口无线收发控制模块主程序清单如下MOV DPTR，#7FFFH ；初始化8251，依次发送方式字和命令字MOV A， #0DEH ;8位字符，奇校验，2停止位，波特率MoVXDPTRA ；系数16，波特率4 800MOV A，#l 5H ；全双工数据终端准备好(加电即准备好)MOVXDPTR，A ；出错标志复位SETB 1T1SETB EAMoV SP#60HCLR P15 ;处于信道1接收状态SETB P16CLR P17Al： JB RI，A2AJMP A1A2： MOV A，SBUFMOV Rl，AMOV DPTR# 7FFFHMOV A，DPTRRRC A ;TXRDY就绪?JNC A2A3： MOV DPTR，#3FFFHMOV DPTR，AAJMP AlRETRESEVE：PUSH ACC ;8251接收中断服务子程序PUSH PSWPUSH DPHPUSH DPLB1： MOV DPTR,#7FFFHMoVX A，DPTRRRC ARRC AJNC B1MOV DPTR#3FFFH ;接收主机发来数据MOV A，DPTRCLR P15 ;出于信道1发送状态SETB P16SETB P17MOV SBUF，A ;发向从机JNB Tl，$POP DPLPoP DPHPOP PSWPOP ACCRETl以下是PCB图5结束语本文介绍了利用Nordic公司最新推出的无线收发芯片nRF401，gNT PC机和单片机从机的无线数据传输，并将其应用于智能小区抄表系统的数据传输部分，使用效果良好可以预见本方案可用于多种应用领域参考文献1李朝青PC机及单片机数据通信技术M北京：北京航空航天大学出版社，20002齐维贵，丁宝单片微型机原理接口通信控制M哈尔滨：黑龙江科技出版社，1997（5）结论整个设计对于自己以后的学习和工作都会有很大的帮助。在这次设计中遇到了很多的问题，在设计中才发现，书本上的东西在需要运用时才发现自己的不熟练，所以有些问题我们需要更深入地理解。一切问题必须要靠自己一点一滴的解决，而在解决的过程当中你会发现自己在飞速的提升。对于ATRF401，在课程设计之前我可以说是对它一无所知，因此在设计过程中我花了大量的时间去查找关于RF401芯片的信息。在这个过程中我了解了许多有关RF401芯片的知识。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉自己已经掌握了书上的只是内容，但在运用的过程中才发现总是会遇到意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。其次，在课程设计的过程中，当我碰到不明白的问题时，同学之间的讨论是一种十分有效的办法，给我的设计以极大的帮助，使我获益匪浅。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力，这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。我觉得作为一名电子信息专业的学生，