基于nRF401的通用智能无线收发装置

1、基于nRF401的通用智能无线收发装置谢锦沐，吴功平，蒋锡健，祝鲁金 （武汉大学 动力与机械学院 湖北 武汉 430072）目前，在各种仪器仪表数据采集系统，遥控测控系统中都需要嵌入无线数据传输的装置，本文介绍了一种通过单片机W77E58对无线收发芯片nRF401进行智能控制的通用无线收发装置的设计方法，硬件电路的设计分为两部分：无线射频模块的设计和控制模块的设计。该装置可以通过跳线的装置选择串口为RS232标准或TTL电平标准，通过W77E58控制可以实现双信道的切换，并可实现数据流控。 1 无线射频模块的设计 在本设计中，无线射频模块采用挪威Nordic公司推出的nRF401无线收发芯片。

2、该芯片使用433MHz ISM频段，是真正的单片UHF无线收发一体芯片，他在一个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，是目前集成度最高的无线数传产品1。无线射频模块采用在板差分环形天线，天线端口的负载阻抗为380，其电路原理见图1，图中列出了各外围元件的参数，其中J1口为无线射频模块与控制模块的接口。 硬件电路的设计要点如下： （1）射频电路对于电源噪声相当敏感，必须采用星形布线的方法使数字部分和RF部分有各自的电源线路，并且应在靠近集成电路电源引脚处分别去耦2。（2）外接VCO电感应选用高频电感，Q45，精度为2，本设计采用深圳顺百科技有限

3、公司的LQW18AN22NG00，电感的精度对无线通信的距离有较大的影响，也可使用精度为5的，但通信距离会大大减小。VCO电感连线应与其他控制线保持一定的距离，应避免数字控制线从电感引脚之间经过，并且应该使VCO电感元件的中心距离nRF401的VCO1，VCO2引脚焊盘的中心5.4mm左右，电感元件的选择与布局很重要，是设计成败的关键点。 （3）在电路板的正反两面均使用大面积铺铜作为接地面，使所有的器件容易去耦，两面的铺铜应使用多个过孔相连，所有对地线层的连接必须尽量短，接地过孔应放置在非常靠近元件的焊盘处2。 （4）天线的设计使用PCB板的环形天线，尺寸为35mm20mm，天线增益为11dB

4、，天线阻抗为380，天线应位于PCB板的顶部，天线部分不要铺铜，有关环形天线的设计可参考Nordic公司的技术文档nAN44003和nAN40005。 （5）如果PCB板的VCO电感设计合理，当模块处于接收状态时，nRF401的第4管脚电压为1.10.2V。 2 控制模块的设计 控制模块负责对无线射频模块状态切换及信道切换的控制，选用华邦单片机W77E58，控制模块的设计分为硬件电路的设计和软件的设计两部分。 2.1 硬件电路的设计 W77E58速度高，工作频率可扩展到40MHz，使用与8051/52同样的晶振运行时间比8052快2.5倍3，且其片内自带两个UART串口，串口0用于与外部的串口

5、设备通信，串口1用于与无线收发模块通信，其中J6口为控制模块与无线射频模块的接口，J2口为控制模块与外部串口设备通信的接口，可以采用简单的三线通信方式，也可以加上流控信号CTS，通过TTL电平对Reset管脚的控制可以实现对智能无线数传模块的复位。J2口与外部串口设备可以以RS232或TTL电平的形式进行通信，通信形式的选择通过对接口J3、J4、J5的跳线设置，MAX232及外围的电容元件均可采用贴片器件，以缩小PCB板空间。通过P2.5，P2.6，P2.7分别对无线射频模块的待机状态与工作状态的切换，收发状态的切换、信道的切换进行控制。 2.2 软件的设计 W77E58片内自带有两个串口，其

6、中串口0可以使用定时器T1或定时器T2作为波特率发生器；串口1只能使用定时器T1作为其波特率发生器4。本设计中采用T2做为串口0的波特率发生器，采用T1做为串口1的波特率发生器，两个串口均工作在串口模式1，波特率为9600b/s，串口0占用了第4号中断，使用SCON，SBUF做为其串口控制寄存器和串口数据缓冲器；串口1则占用了第7号中断，SCON1，SBUF1做为其串口控制寄存器和串口数据缓冲器。对串口的初始化函数为init_serialport()，函数定义如下： 在无线通信的过程中，由于外部环境的干扰，通常误码率比较高，即使发射方不发送数据，接收方仍会经常接收到由于外部干扰而产生的乱数据，

7、为了在接收的过程中区分接收到的数据是否为有效数据，必须有一定的通信协议： （1）两个串口的数据发送均采用查询方式，数据接收均使用中断方式； （2）数据帧包括帧首和数据两部分，帧首使用双字节0x55AA，数据部分为1B，即每帧占用3B，帧首和数据部分均采用十六进制ASCII码传送，确保协议的透明性； （3）接收方如果接收到0x55 0xAA字节，则说明接收到有效的数据帧，否则将该帧丢弃。 如果硬件电路设计合理，元器件的选择恰当，再加上以上简单的通信协议，则可将误码率控制在0.2以下。 单片机上电后，首先对系统和串口进行初始化，然后单片机进入待机模式，直到两个串口中的一个发生中断硬转为工作模式，处

8、理中断程序。主要的程序代码如下： 3 硬件电路的测试 本设计中将控制模块和无线射频模式分开设计，控制模块通过一单排7脚的接口控制射频模块，测试的步骤如下： （1）将控制模块和无线射频模块焊好，检查确认无虚焊、粘焊； （2）先对控制模块上电进行测试，主要是测试控制模块的串口0和串口1能否相互收发数据，测试方法是通过板上跳线将串口0设置为RS232标准，由于板上的串口1只有TTL电平标准，必须外加电平转换电路将其转换为RS232标准，然后将两个串口分别接到计算机的两个串口上，将以上的程序写到W77E58上，然后用串口测试软件测试，如果串口0，1能相互收发数据，便可开始对无线射频模块进行测试； （3

9、）将无线射频模块的J1口与控制模块的J6口焊接起来，上电进行测试，按照以上的程序，上电时处于接收状态，可对TXEN，PWUP，CS等管脚进行测试，看是否与程序吻合； （4）确认射频模块上电处于接收状态后，可测试nRF401地第4管脚是否为1.1V左右，如果是，则说明VCO电感设计合理，否则要重新设计PCB板，此外，nRF401在没有数据接收时,仍会自动从DOUT发送随机数据，使用万用表进行测试时该引脚电压应为2.5V左右4。如有示波器可做更详细的测试。 4 结语 由无线收发芯片nRF401、单片机W77E58、接口芯片MAX323等组成了一个智能控制无线收发装置，该装置具有通用性，可嵌入到各种

10、仪器仪表数据采集系统、遥控遥测系统中，实现无线数据的双向传输。供应nRF401模块微功率无线射频通信模块块特点： 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FSK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,可靠传输距离可达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

11、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，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的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。接口波特率为1200/2400/4800/9600/19200/38400bps，格式为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，

12、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。 +5V供电情况下，接收电流 概 述 所设计的无线数传模块由单片射频收发芯片nRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片构成，工作在433.92434.33MHz频段；可方便地嵌入在各种测量和控制系统中进行无线数据传输，在车辆监控、无线抄表、无线232数据通信、计算机遥控遥测系统中应用。 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

13、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。无需进行初始去万通商联上面找生意！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如图1所示：内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低

14、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（RF40

15、1）； 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)。引脚排列和功能 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时间后,DOUT脚输出数据才有效。对 nRF401来说，tST最长的

16、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。应用电路及设计应注意问题 在实际应用中，微控制器采用Atmel公司的AT89C52，分别用单片机的P1口各管脚控制nRF401的

17、DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS这五个脚即可。具体连接可参见图3。 接口芯片采用美信公司的RS232转换芯片MAX3316，完成单片机和计算机RS232接口的电平转换及数据发送、接收、请求、清除功能。关于此芯片的使用可参见其手册。 在nRF401芯片使用时，设定好工作频率，进入正常工作状态后，通过单片机根据需要进行收发转换控制，发送接收数据或进行状态转换。在实际的设计应用中，需要注意以下几个问题： 1）天线的接入 ANT1和ANT2是接收时LNA的输入，以及发送时功率放大器的输出。连接nRF401的天线是以差分方式连接到nRF401的。在天线端推荐的负载阻抗是400欧姆。图3是一个

18、典型的采用差分方式的原理图。射频功率放大器输出是两个开路输出三极管，配制成差分配对方式，功率放大器的VDD必须通过集电极负载，当采用差分环形天线时，VDD必须通过环形天线的中心输入。 2）与单片机共用一个晶振 nRF401可以与单片机共用一个晶振，图4表示了这种应用的连接方式。需要注意从单片机引入的晶体走线不能离数据线或者控制线太近。 PCB布局和去耦设计 印刷电路板（PCB）的设计直接关系到射频性能，为了获得较好的RF性能，PCB设计至少需要两层板来实现，PCB分成射频电路和控制电路两部分布置。nRF401采用PCB天线，在天线的下面没有接地面。射频部分的电源与数字电路部分的电源分离。 为了

19、减少分布参数的影响，在PCB应该避免长的电源走线，所有元件地线，VDD连接线，VDD去耦电容必须离nRF401尽可能的近。nRF401的电源必须经过很好的滤波,并且与数字电路供电分离，在离电源脚VDD尽可能近的地方用高性能的电容去耦，最好是一个小电容和一个大电容相并联。PCB板顶层和底层最好敷铜接地，把这两层的敷铜用较多的过孔紧密相连,再将VSS脚连接到敷铜面。所有开关信号和控制信号都不能经过PLL环路滤波器元件和VCO电感附近。 对nRF401的PCB布局来说，VCO电感的位置是非常重要的。nRF401VCO电感位置的最佳设计是保证产生1.1 0.2V的PLL环路滤波器电压，这个电压可以从F

20、ILT1（pin4）测得。通信协议的设计 nRF401在很多时候用在便携及移动式设备，在这种应用中需要尽可能长时间的工作，考虑到电池的能耗，往往需要考虑节能和低功耗设计的问题。为了节能，nRF401平时大多数情况下应处于关闭状态，由于无线部分硬件上是不具备自动唤醒功能的，为了达到节能的目的，必须通过软件方式采用合理的通信协议以保证节能同时不丢失数据。 1）首先每次发送应该有一个前置码，通常可采用101010101010，持续一个给定的周期（比如1秒），这个前置码是节能的基础。 2）接收端平时可以开启接收几个毫秒，如果没有收到规定的前置101010101010，然后关闭约1秒，通过检测前置码而获

21、得同步。开关的时间比也就是工作的占空比，增加前置码的周期可以减少工作的时间，从而减少平均工作电流；需要注意的是增加前置码的长度虽然可以降低功耗，但是会降低系统的响应速度，需要根据系统的要求进行确定。软件设计 在设计程序时，要注意各状态转换的时延。nRF401的通讯速率最高为20kbit/s，发送数据之前需将电路置于发射模式；接收模式转换为发射模式的转换时间至少为1ms；可以发送任意长度的数据；发射模式转换为接收模式的转换时间至少为3ms。在待机模式时，电路进入待机状态，电路不接收和发射数据。待机模式转换为发射模式的转换时间至少为4ms；待机模式转换为接收模式的转换时间至少为5.0ms。这里给出

22、系统和程序的工作流程图52.4G 无线收发模块（NRF401）车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等。 .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250uA，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 .由于采用了低发射功率、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 nRF401 工作频段 433MHz 信道数 2 功能 发射/接收 稳频方式 PLL 调制方式 FSK 最大输出功率 +10dBm 灵敏度 -105dBm 最大工作速率 20Kbit/s 工作电压 2.7-5.2V 封装 20S