单片机的无线通信设计

单片机的无线通信设计现行市场上的LED屏，多采用异步串口、TCP/IP接口等有线和GPRS无线进行通信。对于装修计划中的LED屏，即使提前布线或预留线缆空间，在线缆损坏或调试LED屏还是有诸多不利条件。技术成熟的GPRS无线模块，价格昂贵，不适用于大众场合。针对普遍使用的串口通信控制的LED屏，本文介绍了采用NRF905芯片为核心的硬件电路，论述了无线通信系统中的功耗估计、速率适配、串口与无线的通信协议设计和嵌入式单片机的软件设计，实现单片机控制串口的无线通信。1硬件设计11硬件总体框图硬件框图如图1和图2所示。图1为上位机框图，电路板上的单片机收到计算机发来的控制数据，通过无线模块转发。图2为下位机框图，单片机将无线模块收到的数据，通过串口发给LED屏的电路控制板。LED屏回复数据的传输方向正好相反。采用PROTELDXP绘制电路原理图和双面PCB板，使用JTAGMKII在AVRSTUDI04下编写基于单片机的嵌入式软件，采用GCC编译器进行编译连接。12电路设计1单片机ATMEGA16A采用芯片LM1117将DC9V稳压到DC33V，对单片机ATMEGA16A、芯片NRF905、芯片MAX3232进行供电。串口通信采用芯片MAX3232进行逻辑电平的转换。系统采用高性能、低功耗的8位AVR微处理器ATMEGA16A单片机。该单片机具有16KB的系统内可编程FLASH、512B的E2PROM和1KB的SRAM，供嵌入式软件使用在线调试的JTAG端口，丰富了系统的调试手段独立的定时器和可编程的串口，加强了系统的功能。单片机ATMEGA16A上的SPI接口，可保证无线芯片NRF905的无缝连接。2无线芯片NRF905NORDIC公司的无线芯片NRF905采用高效的GFSK调制，使用开放的ISM频段，工作速率可达50KB/S，收发模式切换时间短，功耗低，内置硬件CRC校验和点对多点的通信地址控制，这些优点特别适合工业控制场合。13可行性分析131通信速率NRF905无线收发芯片的最高工作速率50KB/S。PC机端的控制软件可以设置串口的工作速率，典型波特率设置为9600B/S或115200B/S。串口的波特率的每个字节加上起始位、停止位和奇偶校验位，经计算，串口工作速率小于无线芯片的工作速率，因此，可以采用无线芯片NRF905转发串口数据进行通信。1单片机ATMEGA16A的耗散功率条件温度，25单片机工作晶振1MHZ工作电压，33V。激活模式功率P0633195MW空闲模式功率P0233066MW。2芯片MAX232的耗散功率工作电压V33V。最大工作电流I1MA。典型工作电流I03MA。则最大功耗PVI33MW。典型功耗PW099MW。3无线模块的功率计算发送模式的功耗P303399MW。接收模式的功耗P1223341MW。4稳压芯片LM1117的耗散功率输入电压VIN9V。输出电压VOUT33V。系统工作电流I06130316MA。则功耗PVINVOUTI18012MW。5总功率的计算系统最大功耗P18012195339928437MW经功耗估计，系统功耗较小，因此可以使用DC9V电池供电。设计系统的供电方式为电池和外部DC9V电源，通过跳线切换。14电路板布局实现无线通信的系统电路板布局如图3所示。2软件设计21通信协议1串口通信协议。设计串口通信协议1位起始位，8位数据位，“空格”校验位，1位停止位。2数据通信协议。设计串口发送数据的通信协议串口发送数据的第1个和第2个字节是0XF6、0X5A，作为包头，第3个字节和第4个字节为数据长度的一半，数据最后的2个字节为校验字节。LED屏控制卡回复数据为4个字节，第1个字节和第2个字节为为发送数据的前2个字节，后2个字节为发送数据的最后2个字。3无线收发数据协议。无线通信的数据采取分包发送的机制。无线通信协议设计如下第1个字节为包头0XF6，第2个字节为数据的长度，该字节的首位置1，此包数据为最后一包，该字节的首位置0，此包数据非最后一包。由于无线芯片一包最大发送或接收字节数32B，所以最大数据包长度为30B。大于30B的数据，将分包发送。22芯片NRF905工作原理1芯片NRF905的管脚及管脚功能如表1所示。2芯片NRF905的工作模式芯片NRF905共有4种工作模式活动模式有SHOCKBURSTRX接收模式和SHOCKBURSTTX发送模式节电模式有掉电模式和SPI编程模式或STANDBY空闲模式和SPI编程模式。芯片NRF905的工作模式由TX_EN，TRX_CE，PWR_UP的设置来设定，如表2所示。231系统初始化系统初始化主要包括端口、串口、SPI总线、无线芯片、定时器和链表。状态机的初始化包括初始状态、各个状态的初始条件等。根据数据发送和接收的流程，设计状态机的5种状态待机状态ST_STAND_BY串口接收状态PC端ST_UART_RECV无线接收状态LED屏端ST_WAVE_RECV串口等待状态LED屏端ST_UART_WAIT无线等待状态PC端ST_WAVE_WAIT。232状态机的状态触发与转换上位机在中断中接收PC机发送的控制数据，存储在循环链表中，通过无线芯片分包发送上位机查询无线芯片接收回复数据，通过串口发给PC机上的控制软件上位机状态触发与转换关系如图4所示。下位机查询接收无线模块发送的数据，通过串口转发给LED屏控制卡LED屏控制卡的回复数据，下位机在中断中接收，通过无线发送下位机状态触发与转换关系如图5所示。图4和图5共同完成1次数据应答。233定时器的数据收发检测1串口接收数据完的检测。串口的数据接收是在中断中完成的，因此在中断中对定时器置数，中断外面减数。波特率为9600B/S时，中断间隔小于1MS。设置定时器的时长15MS，如果超过此时长，则意味着串口数据接收完成。2无线发送接收数据的检测。嵌入式程序中多处用到无线收