无线投票表决器设计

摘 要随着现代电子技术和计算机控制技术的发展和应用，大型会议电子表决及会议签到、信息传递系统已逐步取代传统的会议管理与表决手段方式,形成了新一代综合会议智能化管理系统。电子表决系统是综合会议智能化管理系统中的一个重要部分,它从根本上改变了各类会议传统发、填、收、计票的表决方式，实现了表决结果即时、准确显 示,提高会议表决的透明度,保证表决结果的公开性,是推进政府、企事业单位民主化 进程、提高会 议效率的有效手段。在无线技术的推动下,无线表决技术也日趋成熟和完善,并得到了广泛应用，本文通过分析无线收发一体芯片 nRF401 芯片的 应用特点,采用 nRF401 作为收发模块,制定了适合无线表决器网络的通信协议并分析了整个无线通讯数据的收发过程。关键词: 智能化管理，收发 一体， nRF401，无 线表决器Vote Wireless DesignAbstractWith modern electronic technology and computer control technology and applications, large-scale electronic voting meeting and conference attendance, information transmission system has been gradually replace the traditional means of meeting the management and voting the way, the formation of a new generation of integrated intelligent session management system. Electronic Voting System is an integrated intelligent management system meeting an important part, it fundamentally changed the traditional conferences hair, fill, close, the vote counting, the results of a vote on real-time, accurate to improve the meeting voted transparency, openness to ensure that the voting result is the government, enterprises and institutions the process of democratization and improve efficient and effective means of the meeting. In the promotion of wireless technology, wireless technology are becoming increasingly sophisticated voting and perfect, and has been widely used to analyze the one-chip wireless transceiver chip nRF401 characteristics nRF401 used as a transceiver module, developed a voting machine suitable wireless communications network protocol and analysis of the entire wireless communications to send and receive process data. Keywords：Intelligent, management Transceiver, NRF401, Wireless voting machine1 目 录1 绪论 .12 系统构成与特点 .12.1 无线表决系统构成 .12.2 无线收发模块 .33 芯片介绍 .43.1 芯片构成与特点 .43.2 芯片功能 .74 硬件设计 .94.1 主控模块设计 .94.1.1 串口传输 .94.1.2 主机与控制器通信 .94.1.3 串行接口芯片 .104.1.4 串口与 PC 机连接 .114.1.5 单片机的选择 .134.1.6 射频芯片 .134.2 表决器设计 .144.2.1 面板设计 .144.2.2 硬件设计 .145 软件设计 .156 主机和表决器收发的通讯过程 .177 结束语 .17致谢 .18参考文献 .19附录一 .20附录二 .212 1 绪论随着电子技术的发展，人们对通信的依赖程度越来越高。目前国内微机网络多为有线通信方式，而无线 通信以其独特的优点，在现代通信领域逐渐占据重要地位。无线通信技术，具有以下三个显著的特点：（1）传输介质采用的是电磁波，而不是串行总线物理接口标准的电缆线,所以特别适用于那些不适合或不方便架设电缆线的地方或场所。（2）由串行总线物理接口标准（RS-422和RS-485 ）构成的 单片机多机通信系统，连接主控器上的收发器的数量受接口的限制,而应用单片机编解码接PS口技术的通信系统中采用多字节地址编码，收发器的数量不受限制，这是任何接口标准无法比拟的。（3）无线技术通信系统具有电路简单、功耗小、体积小、成本低、运行可靠和调试方便等优点。比有线系 统的稳定性、可靠性高。无线表决系统是专为会议设计开发的表决系统,与有线系统相比无需繁琐的布线工作,只需与会代表每人拿一部无线表决器即可实现会议的表决工作。由于会议系统稳定性、可靠性的要求较高,所以系统的稳定可靠性、抗干扰能力和保密性能方面是设备最重要的关键指标。而这些指标主要体现在无线数据传输和通讯技术的应用上,因此系统的核心技术就是无线数据传输和通讯。本系统的无线数据传输技术利用先进的数字无线电设计思想,在选用大规模、低功耗专用集成电路的基础上设计制造。在 电源设计、降低功耗、提高抗干 扰能力等方面都进行了优化设计。对于便携式设备 ,系统电源设计是一个非常重要的环节,无线表决器采用超低功耗CPU芯片,采用低功耗系统设计思想,从而最大限度地提高了可靠稳定性与适用性。2 系统构成与特点 2.1 无线表决系统构成无线电子表决系统是针对人大、政协、政府、企事业单 位各类议案表决、民主评议、人事选举、测评打分、 现场互动等需求而研制开 发，系统采用无线通信技术，功能 齐全，安全可靠，保密性 强，操作 简单，具有硬件设计高度可靠、按键投票保密性强、用户操作直观 明了、 产品功能多种多样 等优点。 电子表决方式解决了以往举手表决所带来的弊端，使参会人员的意愿更加真实独立，即是对参会人员职权的尊重，又是对民主和法制的尊重。同时，电 子表决结果自动生成，节省了会议时间和人力，提高了会议效率。与有 线表决相比，无线电子表决系统在可靠性、安全性、以及易用性上更有优势，而且大幅度降低了会议成本，适合普及3 推广，表决系统的功能设计与实现是以实用、高效、可靠、友好为目标,满足政府部门与各种商业化投票选择问题所用，无线投票表决系统包括主机、大屏幕显示器、数据收发控制器( 主控装置和无线收发装置)、无线表决器。其中核心的组成部分是无线收发装置，无线表决系统用于完成表决信息的采集处理和显示它主要由主控器表决器和 pc 机部分 组成，其中 pc 机通过接口和主控器相连，主要完成向主控器发出各种指令以及收集由主控器上传的有关表决器状态和最终表决结果的信息，并显示表决结果。主控器主要完成接收从发出的指令，再根据各指令通过无线数据传输电路向表决器发出相应的命令，当表决器执行相应的指令之后，主控器再负责将收集到命令当表决器执行相应的指令之后，主控器再负责将收集到的表决器状态或表决结果上传给，至此完成整个表决过程表决器则通过无线数据传输电路接收来自主控器的指令，并通过无 线数据传输电路向主控器上传表决器状态和表决结果等，系统模型图如图 1 所示。图1 无线投票表决系统模型图表决器单元是与会代表进行表决时直接操作的选项控制设备,面板设有同意、反对、弃 权三个控制键和相 应的三组指示信号灯,在有效投票表决时间(时间可设定,一般表决时间20秒)内可以任意修改表决意见,以最后一次按下的表决键为投票结果,表决结束时,表决结果就被系统锁定,再按动其他表决键无效。持第一次按键有效和最后一次按键有效两种表决方式。表决结果数据自动保存，表决结果不可修改，可以重新执行。系统采用先进的无线数字通 讯方式， 组建无线网络，无需布线，管理方便；无线数字通讯方式，使系 统抗干 扰能力强，保 证了系统的稳定性和可靠性。能绕过人体等障碍物，对手机等常见电 子设备无干扰，可切 换多种信道。效率高、表决结果统计非常快速。表决器单元通过无线收发装置在单片机的芯片控制下，由参会代表执行他4 们的表决权，表决结果确定后再由主控制器通过串行接口与PC电脑连接实现表决系统网络与PC计算机之 间通讯,将表决器检测、代表注册统计、表决结果等数据传输给PC电脑,由表决统计处 理软件进行实时统计 、显示、打印，同时由分配器将PC 电脑连接到信息发布系 统,同步显示表决结果信息。表决系统总体结构示意图如图2所示。图2 系统总体结构示意图主控制器部分，主控制器是整个电子表决网络系统的控制部分。其核心部件是 W77E516 微处理器,具有 检测分支控制器与表决器在线功能、执行表决器状态检测、代表注册统计、表决开始、停止等命令 ,并统计查询 表决结果、传输表决结果数据。还可以通过接驳 PC 主控制计算机,实现表决结果信息显示、统计打印等功能。2.2 无线收发模块无线收发模块主要完成射频信号的处理功能，包括产生射频能量，将读写器欲发往射频的命令调制到读写器发射的载频信号上，形成已调制的发射信号，经读写器的天线发送出去。发 送出去的已调信号经过空间信道传送到射频卡上，射频对接收到的射频信号做出响应，形成返回读写器天线的发射回波信号；将射频返回到读写器的回波信号进行必要的加工处理并从中解调，提取出射频回送的编码数据。无线收发一体模 块 nRF401 芯片性能优异,在电子领域居领先水平，因而是目前集成度较高的无线数据传输产品,以往设计无线数据传输产品常常需要相当的无线电专业知识和昂贵的专业设备,而且传统的电路方案不是电路太复杂就是调试困难而令人望而却步,以致影响了用户的使用和新产品的开发研制工作,nRF401 的出现使人们摆脱了 传统无线产品设计的困 扰,另外,由于它采用了低发射功率,高灵敏度设计,因而可满足无线管制的要求且无需使用许可证，是目前低功率无线数据传输的理想选择。本系统的核心部分就在于无线收发控制模块以及射频模块，主机与无线收发控制模块、主控收发模块 构成了无线表决系统的收发部分，无线收发模块是本5 系统的核心部分，通过无线收发一体芯片NRF401 实现系统数据的接收与发射，NRF401是目前集成度最高的无线数据传输产品， 20脚双列直插封装。其中包含高频接收、发射、合成、调制解调和双频切换等单元。系统收发模块构成如图3所示。图3 无线投票表决系统收发模块构成3 芯片介绍3.1 芯片构成与特点NRF401 是由挪威 Nordic VLSI ASA 公司推出的集收、收发于一体的无线通信芯片，在一个 20 管脚芯片内集成了高频发射、高频接收、 PLL 合成、FSK 调制/解调、参量放大、功率放大、 频道切换等单元电路。NRF401 使用具有较强抗干扰能力的 FSK 频率(Frequency Shift Keying) 调制方式，改善了噪声环境下的系统性能，采用 DSS+PLL 频率合成技术，工作频率稳定可靠。与 ASK 幅移键控(Amplitude Shift Keying)和 OOK 开关键(On Off Keying)方式相比，这种方式的通信范围更广，特别是在附近有 类似设备工作的场合，工作于 433MHzISM 频段，采用 FSK 调制与解调技术 ，数据通信速率高达 20kb/s，最大传输功率为+10dBm，并可以 调整传输 功率，差分式天线接口，nRF401 芯片的外围元件很少,只有一个基准晶振和几个无源器件,没有调试部件,这使其功耗极低,并给应用带来便利。 NRF401 是目前集成度最高的无线数据传输产品。以往设计无线数据传输产品往往需要相当的无线电专业知识和价格高昂的专业设备，传统的电路方案不是电路繁琐就是调试困难，因而影响了用户的使用和新产品的开发，NRF401 的出现使人们摆脱了无线产品设计的困难。NRF401是国内应用最早的无线收发一体芯片,在接收模式中，nRF401被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制的数字信号被低噪声较大器放大，经6 混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器，解调 后变换成数字信号输出（DOUT端）。在发射模式中，数字信号 经DIN 端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入到发射功率放大器射频输出。由于采用了晶体振荡和PLL 合成技木，频率稳定性极好；采用FSK调制和解调，工作频率为国际通用的数据传输频段，抗干扰能力强。特别适合工业控制场合；灵敏度高，达到-105dBm （nRF401）；功耗小，接收状态250A，待机状态仅为 8A，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。NRF401的内部结构管脚图如图4所示。图 4 NRF401 管脚 图微功率无线射频通信模块特点：（1）微功率发射，最大发射功率10mW。（2）ISM频段,无需申请频点。 载频频率433MHz ，也可提供868/915MHz载频。（3）高抗干扰能力和低误码率。基于FS K的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术，提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力，在信道误码率为10-2时，可得到实际误码率10-510-6 。（4）传输距离远。在视距情况下，天线高度 2米,可靠的传输距离一般可达300-4000m(BER=1200bps)。（5）透明的数据传输。提供透明的数据接口，能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的假数据(所收即所发)。（6）多信道。STR 系列标准配置提供 8个信道，如果用户需要的话，可扩展到16/32/64信道。满足用户多种通信组合方式。（7）双串口3种接口方式。STR系列提供2个串口3种接口方式，COM1为TTL电平UART接口。COM2 由用户自定义为标准有RS-232/RS-485口(用户只需要拔插1位短路器再上电即可定义)。（8）大的数据缓冲区。接口波特率1200/2400/4800/9600/19200/38400 bps，格式 为7 8N1/8E1用户自定义，可传输 无限长的数据帧，用 户编程更灵活。（9）智能数据控制，用户无需编制多余的程序。即使是半双工通信，用 户也无需编制多余的程序，只要从接口收发数据即可，其它如空中收/发转换，控制等操作，STR自动完成。（10）低功耗及休眠功能。NRF401无线收发一体芯片内部20引脚、 SSOIC封装。内部结构各引脚功能说明如图5所示。图5 NRF401 内部管脚功能图NRF401无线收发芯片的收发模块电路图如图6所示，NRF401 必须加简单的外围原件构成收发模块方可工作。图中天线口ANT 1、ANT2输出至600的印制天线，C9、 C10为天线回路的谐振电容，R4 用于适当降低天线回路的值。该电路的最大发射功率为10dBm，接收灵敏度高达105d，开阔地的使用距离最远可达1000米。如要加大使用距离可在ANT1、 ANT2输出口加60050平衡非平衡变换电路，并接入输入输 出放大和转换电路。于采用了低发射功率和高接收灵敏度的设计,因而可满足无线管制要求,无需使用许可证,是目前低功率无线数据传输的理想选择,可广泛用于遥控、遥测、小型无 线 网络、无 线抄表、门禁系统、小8 区传呼、工业数据采集、无线标签、身份识别、非接触 RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火、无线遥控、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制等系统。图6 NRF401 收发模块电路图NRF401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（ETSI）EN300 200-1 V1.2.1。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。无需进行初始化和配置，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。3.2 芯片功能nRF401无线收发芯片具有 20个引脚。重要时序参数：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据传输频段433MHzFSK调制，直接数据输入输出，抗干扰能力强，特别适合工 业控制场合采用DSS+PLL 频率合成技术，频率稳定性极好。灵敏度高，达到- 105dBm（RF401）功耗小，接收待机状态仅为8uA ，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R2 6.8KR1M C22Pc3560pc410nC102PC71nC6100nC9100PC22PL122mHX14MHZ5v+c0100uR22K C81nXC1VDDVSSFLT1VCO1VCO2VSSVDDDINDOUT PERCSVDDVSSANT2ANT1VSSPWRTXENXC2NRF4019 频道，可方便地切换工作频率，特 别满足需要多信道工作的特殊场合,可直接接单片机串口,仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试，由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，其芯片特性如 图7所示。图7 NRF401 芯片特性NRF401有三种工作模式：接收模式、 发送模式和等待模式。在等待模式下，系统的功耗可以达到很小的值,nRF401 有6种工作模式的不同切 换,如图8所示。其中TX为发 送模式,RX为接收模式,Standby为待机模式,在等待模式下,系统的功耗可以达到很小的值。nRF401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,使它处于接收、发射或等待状态,实现双工通信。在应用nRF401设计无线接口 时,除要合理选用外部元件参数外 ,还要注意芯片的转换时间。NRF401接收机使用频移键控(FSK)调制方式，改善了噪声环境下的系统性能。NRF401另一个非常重要的特性是接收机的频带外阻抗很高， 这意味着它不需要外部声表面波(SAW)滤波器。此外 NRF401的解调器是DC 平衡的，因此可以使用任何一种协议，也可以使用各种“0”、 “1”序列，因而无需浪费单片机宝贵的处理资源来进行曼彻斯特编码，本系统的无线通信模块发送部分是通过单片机串行口送到模块由模块发送，而接收部分是由模块接收到数据以后，由单片机控制相应部件工作。10 图8 不同工作模式的转换及切换时间4 硬件设计4.1 主控模块设计4.1.1 串口传输由于本系统数据流量较小,因此主机采用串口技术进行数据的传输。串行通信是指通信的发送方和接收方之间数据信息的传输是在单根数据线上,以每次一个二进制位移动的，它的优点是只需一对传输线进行传送信息,因此其成本低 , 适用于远距离通信; 它的缺点是传送速度低，串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议。大多数计算机包含两个基于RS232的串口。串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。串口通信的概念非常简单，串口按位（bit）发送和接收字节。尽管比按字节（byte）的并行通信慢，但是串口可以在使用一根线发送数据的同时用另一根线接收数据. 串口是计算机上一种非常通用设备通信的协议（不要与通用串行总Universal Serial Bus或者USB 混淆）。大多数 计算机包含两个基于RS232 的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信协议；很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时，串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。4.1.2 主机与控制器通信主PC 机通过RS232串口与控制器通信,不仅要发送命令控制 NRF401的工作模式 ,而且要接收从机上传的数据,如果采用PC机和NRF401直接相连的方式难以实现,因此设计了无线收发控制模块,它的功能是通过单片机控NRF401协调从机和主机之间的通信,用单片机控制nRF401 向从机发 送控制命令,同时接收从机上传的数据。RS-232-C 标准最初是 远程通信 连接数据终端设备 DTE(Data Terminal 11 Equipment)与数据通信设备 DCE（Data Communication Equipment)而制定的。因此这个标准的制定，并未考虑计算机系统的应用要求。但目前它又广泛地被借来用于计算机（更准确的说，是计算机接口）与终端或外设之间的近端连接标准。显然，这个标准的有些规定及和计算机系统是不一致的，甚至是相矛盾的。有了 对这种背景的了解，我们对 RS-232C 标准与计算机不兼容的地方就不难理解了，RS-232C 标准中所提到的 “发送”和“接收” ，都是站在 DTE 立场上，而不是站在DCE 的立场来定义的。由于在计算机系统中，往往是 CPU 和 I/O 设备之间传送信息，两者都是 DTE，因此双方都能发送和接收。 RS-232 标 准（协议）的全称是 EIA-RS-232C 标准，其中 EIA(Electronic Industry Association)代表美国电子工业协会，RS （Recommended Standard）代表推荐标准，232 是标识号，C 代表 RS232 的最新一次修改（1969），在这之前，有RS232B、RS232A。它 规定 连接电缆和机械、 电气特性、信号功能及传送过程。常用物理标准 EIARS-423A、EIARS-232-C（简称 232，RS232）。 例如，目前在 IBM PC 机上的 COM1、COM2 接口，就是 RS-232C 接口。4.1.3 串行接口芯片由于MCS51单片机只有一个串口 ,系统扩展一片可 编程串行接口芯片8251A ,实现PC 机与单片机通信 ,单片机则通过串口与nRF401通信。8251A是一个通用串行输入输出接口，可用来将86系列CPU以同步或异步方式与外部设备进行串行通信。它能将主机以并行方式输入的8位数据变换成逐位输出的串行信号；也能将串行输入数据变换成并行数据传送给处理机。由于由接口芯片硬件完成串行通信的基本过程，从而大大减轻了CPU的负担，被广泛应用于长距离通信系统及计算机网络。图9 8251A 内部结构图12 8251A 是一个功能很强的全双工可编程串行通信接口，具有独立的双缓冲结构的接收和发送器，通过编 程可以选择同步方式或者异步方式。8251A 内部原理图如图 9 所示。第一部分是和 CPU 或者总线的接口部分，其中包括数据总线缓冲器、 读/ 写控制逻辑。数据总线缓冲器用来把 8251A 和系统数据 总线相连，在 CPU 执行输入输出指令期间，由数据 总线缓冲器发送和接收数据，此外，控制字，命令字和状态信息也通过数据总线缓冲器传输，读/写控制 逻辑电路用来配合数据总线缓冲器工作。CPU 通过数据总线缓冲器和读写控制 逻辑向 8251A 写入工作方式和控制命令字，对芯片初始化；向 8251A 写入要发 送字符的数据代码，送到发送缓冲器进行并行到串行的转换，并且将接收的、已转换 成并行代码的接收缓冲器中的字符数据读入 CPU。第二部分是数据格式转换部分，包括发送缓冲器、并行数据到串行数据转换的发送移位器，接收缓冲器和串行数据到并行数据转换的接收移位器，以及发送控制电路和接收控制电路。发送缓冲器把来自 CPU 的并行数据加上相应的控制信息，然后利用发送移位器把它们转换成串行数据发送出去。接收缓冲器接收串行数据，并利用接收移位器按照相应的格式将串行数据转换成并行数据。发送和接收控制电路控制并行数据与串行数据之间的转换以及串行数据的发送和接收。第三部分是和外设的连接部分，包括连接发送移位器的串行发送信号线TXD、连接接收移位器的串行接收信号线 RXD；调 制解调控制电路和它的两对联络信号：数据终端请求发送 RTS#和数据设备清除请求发送（允许发送）CTS#，数据终端准备好 DTR#和数据设备准备好 DSR#。 这两对信号在 8251A 向从调制解调器或其他串行外设发送接收数据的过程中进行“握手” 联络。 825lA 可以按全双工方式工作， 由 发送器、接收器、数据 总线缓冲存储器、读写控制电路及调制解调控制电路等 5 部分组成。4.1.4 串口与 PC 机连接串口与PC机连接时,选用MAX232芯片,完成射频收发电路和计算机 RS232接口的电平转换以及数据收发功能。MAX232管脚 图如图10所示。MAX232芯片中的上半部分电容C1+、 C1-、C2+、C2-及V+ 、V-是电源转换部分，在实际应用中，器件对电源噪声很敏感。因此，需要对地加去耦电容，电容C1、C2、C3、C4都选用电解 电容，电容值为0.1UF，可以提高抗干扰能力。 连接电容时必须尽量靠近器件，注意 极性。下半部分为发送与接收部分，实际应用中， T1IN、T2IN和R1OUT、R2OUT 可分别连接TTL/CMOS电平的51单片机的串行发送端 TXD和接收端RXD;T1OUT 13 、T2OUT和R1IN、R2IN分别连接至RS232电平的PC串行接收端和发送端。从计算机串行口输出的数据经MAX232C电平转换后送给单 片机W77E516 ，单片机用软件将其转换成自定义编码由P口输出，送 给发射模块。图10 MAX232 芯片管脚图MAX232 产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容 RS232 标准的芯片。该器件符合 TIA/EIA-232-F 标准，每一个接收器将 TIA/EIA-232-F 电平转换成 5-V TTL/CMOS 电平。每一个 发送器将 TTL/CMOS 电平转换成 TIA/EIA-232-F 电平。满足或超过 TIA/EIA-232-F 规范要求，符合 ITU v.28 标准,电池供电系统单5-V 电 源供电 和 4 个 1.0uF 充电泵电容计算机外设包含 2 个驱动器和 2 个接收器 Modems 低工作电流为 8mA 手持设备 2000-V ESD 保护计算机有工业级和商业级的型号选择。图11 MAX232电平转换电路14 该器件符合 TIA/EIA-232-F 标准，每一个接收器将 TIA/EIA-232-F 电平转换成 5-V TTL/CMOS 电平。每一个发送器将 TTL/CMOS 电平转换成 TIA/EIA-232-F 电平。 MAX 电平转换电 路如图 11 所示。MAX232 芯片是德州仪器公司生产的低功耗、 单电源双 RS232发送/接收器。适用于各种 EIA -232E和 V.28/ V.24 的通信接口。MAX232 芯片内部有一个电源电压变换器,可以把输入的+5V电源变换成 RS-232C输出电平所需10V电压, 所以采用此芯片接口的串行通信系统只要单一的+5V 电源就可以。MAX232芯片是专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电，由于电脑串口rs232 电平是-10v +10v，而一般的单片机应用系统的信号电压是TTL电平0 +5v ,MAX232就是用来进行电平 转换的,该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。4.1.5 单片机的选择单片机的选择用华邦生产的W77E516 64KROM带有1KB的RAM。其市场价格在20元左右，该CPU内部有64k程序存储器，不用扩展外部程序存储器,所以可以大大简化系统结构,缩小表决器的体积。在由单片机构成的实际测控系统中，最小应用系统往往不能满足要求，因此在系统设计时首先要解决系统扩展问题。4.1.6 射频芯片无线射频芯片的设计是本系统的关键之处, 由于无线收发芯片的种类和数量比较多，无线收发芯片的 选择在设计中是至关重要的，正确的选择可以减小开发难度， 缩短开发周期，降低成本，更快地将 产品推向市 场。其选择从下面几个方面进行考虑。(1)发射功率在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信， 应选发射功率较高的产品，NRF401的发射功率达到10dBm，是同类产品中最高的。(2)功耗大多数无线收发芯片是应用在便携式产品上的，因此功耗也非常重要，一个根据需要选择功耗较小的产品，NRF401 的工作电 流在同等发射功率下是最低的。(3)能否连接串口采用串口传输的芯片,应用及编程非常简单,传送的效率很高,标称速率就是实际速率,因为串口对大家来说是再熟悉不过的了,编程也很便,nRF401是目前唯15 一可以与单片机串口直接连接的芯片。(4)收发芯片所需的外 围元件数量 nRF401外围元件仅10个左右 ,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4 M Hz 晶体 ,并且收发天线合一 。当发送信息时,nRF401的引脚 DIN输入的数字信号经 PLL,VCO完成频率合成与调制,调制后的射频信号经PA功率放大后从天线端输出。当接收信息时,从天线接收到的射频信号经低噪高增益放大器 L NA 放大,再经过滤波,频率解调后转换成数字信号,从引脚DOUT输出。nRF401与W77E516的信息交换是通过串行口和I/O 来实现 。串口 TXD接引脚DIN,串行口RXD 接引脚 DOU T,实现数据交换。单片机的 I/O口P1.5, P1.6,P1.7分别控制频道选择,低功耗模式,接收/发射控制,电路图参阅附录1所示。4.2 表决器设计4.2.1 面板设计根据设计方案,表决器面板设置 6 个按键包括启动 按键,表决按键(赞成,反对,弃权), 确 认按 键,取消按键。 4 个状态指示灯。 连接指示灯用于 显示与主机之间的连接状况 ;等待指示灯提示用户主机端当前已经做好接收数据的准 备 ,用户可以按下表决按键进行表决;选择指示灯提示用户当前的 选择 ;结束指示灯用于提示用户已经将投票结果发送给主机。图 12 表决器面板图4.2.2 硬件设计在表决器端同样利用 W77E516 单片机接收从按钮传来的信号,并把信号通过 W77E516 单片机的串口 传给 nRF401 射频收 发芯片,经过调制和功率放大后把信号发送出去。经过主控器的分析与控制，将表决器的表决结果在屏幕上显示出来。表决器内部原理图如 图 13 所示。16 图 13 表决器内部原理图表决器硬件设计主要是通过 W77E516 和 NRF401 组成的无线收发模块组成，由单 片机控制 NRF401 的工作模式，本系 统由一台工 业计算机作为主机，n台单片机作为从机（n=1，2， 3，4，N），组成了通信网 络。主机向众多从机发出地址，从机接收到该地址以后，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，主机接收到从机回 发地址以后，立即向响应的从机发出命令，从机接收到命令，经判断后 执行相应动作，数据传输均通过无线收发芯片nrf401 完成。表决器硬件电路图如图 14 所示。 图 14 表决器原理图5 软件设计通信协议是指为使通信双方能相互理解而制定的规则。由于无线收发模块的特性,通信可能在发射端与接收端之间受到外界的干扰而使数据发生错误,因此需要通信协议来保证接收端能正确接收到来自发射端的数据,并确定所接收数据是否为实际数据。本系统为 点对多点无线通信,通信协议分为三层:第一层是物理层，物理层可以用专用的射频芯片如 nRF401 来实现。第二层是数据链路层，数据链路层提供可靠的无线数据传输。发送数据时,将应用层发来的较长的数据帧分为短的数据帧。第三层是应用层，通过应用程序进行一系列的初始化工作,显示当前所有连入网络的表决器的状态,决定哪些表决器可以参与表决。同时能够接收各个用户的表决结果,最后汇总,统计所有表决结果,并将最终表决结果显示到大屏幕上,并保存表决结果。制定无线通信 协议的第一任务就是要能够识别数据传输过程中RD17WR16P101P112P123P134P145P156P167P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P26 27P27 28PSEN 29ALE/P 30TXD 11RXD 10TNTO WE77E516VDDTXENDOUTPWR_UP CSGNDDIN+5vNRF401123456121110987REST1K+C22UF+5V33PF32K33PFX2X14k+5v4k17 的干扰噪声和有效数据 ,通过测试发现在 0xFF 后跟 0x55,可以有效的避免噪声,因此,传输协议应该在数据包前的开始字节 0xFF 后 紧跟 ox55,即发送协议的开始应该以一个任意的字节 (因为第一个字节的数据在发送时丢失),然后是 0xFF后紧跟一个 0x55;接受协议规定只接受以 0xFF 后紧跟 0x55 开始的数据包。首先使所有从机处于只能接收地址帧监听状态，主机先发送地址帧信息，等待各从机的响应，从机接收到地址帧后，各自将接收地址与本机地址相比较，相同的则接收主机随后发来的数据和命令；不同的则继续等待地址帧，对主机随后发出的数据帧和命令帧不予理睬，从机向主机回送本机地址作为应答信号，主机接收到后，与原发送地址相比较，相同 则正式发送数据或命令信息，否则重新联络。PC机通过 无线收发送控制器发送给从机的数据分三种：地址帧、数据帧和命令帧，从机上传的只有数据 帧。地址帧格式：命令帧格式：数据帧格式：地址帧可以用00表示，命令帧可以用01表示，数据帧可以用10表示。数据标识头用于表示一个新的数据块的开始，块长度用来保证数据不会丢失。校验和是将除标识头以外的数据相加确保设备接收的数据不会由于外界干扰而出错。（1）主机在初始化后向各个表决器发送“地址帧” ，获取表决器状态信息。表决器端在收到主机端发来的帧后，提取数据帧中的地址信息,与存储器中的地址进行比较，若是当前表决器的地址,则将表决器状态以“ 命令帧”的形式发送给主机,其中应答内为“1”说明表决器已 经连接入网络等待用 户的表决，为“0”说明表决器还不能进行表决 。若不是当前表决器地址，则可以 丢掉后续的数据。 (2)表决器端把用户表决结果数据存入数据缓冲区中，当主机端发来“地址帧”,在比对地址后,把表决结果以“数据帧” 的格式发送 给主机端。（3）主机端接收“ 数据帧”, 对 其进行校验,如果校验错误 ，则向当前表决器发送“数据帧”。校验正确则给表决器发送数据帧,数据已经正确接收,并继续查询下一个表决器。主控器的软件采用了程序结构化和功能模块化设计方法, 软件包括主程序及各子程序,程序是一个无限循环的查询程序, 它不停地查询串口有无来自的指18 令, 然后根据指令 执行相 应的各子 PC 程序, 包括表决器准备、表决器结束、表决器测试、主控器接收最大序号等,主程序流程图如图 15 所示。开始端口初始化SPI 初始化配置 NRF401串口初始化是否有任 务执行任务子程序清任务标志YN图15 主程序流程图6 主机和表决器收发的通讯过程（1）表决器在上电复位之后,先进行初始化,然后将表决器状态信息存入数据缓冲区中准备发送给主机。（2）主机上电后,完成串口,控制芯片和nRF401 的初始化工作 ,接着向各个表决器请求表决器状态信息。（3)表决器收到主机发来的“请求表决器状态” 信号后,与本表决器的地址相比较,若不相符则不接收,相符合则回复表决器的状态给主机。(4)主机收到这 个状态信息后,完成通信正常测试。表决器开始检测用户的表决。在规定的时间内将用户要表决结果存入数据缓冲区,等待发送。(5)主机在规定的 时间内轮询各个表决器端,读取表决结果数据,如果收到的数据经过校验有错误 ,则通知表决器要求重新发送表决结果。19 7 结束语本文介绍了基于nRF401芯片和 W77E516单片机无线 收发模块的学习,提出了软、硬件 设计方案和相应的 软件编制方法。本系 统经过扩展可以广泛