基于RFID数据传输系统的设计与实现

1、基于RFID数据传输系统的设计与实现 【摘要】 本设计应用2.4GHz-2.5GHz ISM频段的有源射频技术，设计了一款基于nRF2401射频收发芯片的有源RFID数据传输系统。该系统采用软硬件相结合的方式进行了数据传输的设计。用nRF2401芯片作为射频收发器，解决了长距离、高速率的数据传输要求，实现传输距离达到15m以上、传输速率高达1Mbps；利用高性能STC89C51RC单片机作为主控器，实现整个系统的运行控制；系统由一台主机和一台从机构成，解决了点对点传输，通过拓展可以实现点对多点的通信；从机使用按键触发方式发送,数据发送完后LED闪烁一次；主机接收数据成功后LED闪烁一次,并将接

2、收的数据显示在LCD上,0.5秒以后调用与接收到的数据相关的信息，具有一定的信息检验能力等性能；该数据传输系统可应用于大型的仓储管理、车库管理以及楼宇车辆出入通行管理等。具有携带方便、成本低廉，可靠性高，操作便捷等优势，具有广阔的市场前景。同时对其他的RFID数据传输系统设计具有较高的参考价值。 第一章 绪论11.1引言11.2 RFID技术概述11.3 RFID的发展历程与现状21.3.1发展历程21.3.2应用现状21.4 RFID的发展前景与意义31.4.1射频识别技术的发展前景31.4.2开发意义31.5 本课题主要工作3第二章 系统总体设计42.1 2.45GHz RFID数据传输系

3、统设计要求42.2 系统组成方框图4第三章 系统硬件设计53.1 主控模块（MCU）的设计53.2射频收发模块63.2.1无线收发芯片nRF240163.2.2 nRF2401引脚功能73.2.3 nRF2401的工作模式83.2.4射频数据包133.3通过主控器对nRF2401的功能实现133.3.1 射频收发器电路图133.4 LCD显示模块143.4.1 LCD芯片介绍143.4.2 FYD12864-0402B的应用153.4.3 主控制器控制FYD12864-0402B的电路图17第四章 系统软件设计174.1 ShockBurst TM Mode的发送流程174.2 ShockBu

4、rst TM Mode的接收流程184.3 数据传输系统主程序流程图19第五章 PCB的制作与系统调试195.1 PCB的制作195.2 系统电磁抗干扰分析与调试21结束语23致谢语23参考文献23附录24附录25附录26第一章 绪论1.1引言无线通信在机动性要求较强的设备中或人们不方便随时到达现场的条件下得到了越来越广泛的应用,如无线数据采集、无线设备管理和监控、汽车仪表数据的无线读取等都是其典型应用。微功率短距离无线通信技术作为无线通信实用技术,一般使用单片射频收发芯片,加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块,通常射频芯片采用GFSK(高斯频移键控)调制方式,工作于ISM(工

5、业、科学、医疗)频段,通信模块包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议,用户不必对无线通信原理和工作机制有较深的了解,只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能,因其功率小、开发简单快速而在工业、民用等领域应用广泛。因而是一个很有发展潜力的研究课题。 由于无线频率资源的日渐珍贵，为短距离无线通信技术的应用提供了广阔的市场前景。因而受到了世界各国工业界与研究机构的广泛关注。近来人们常见的热门话题中就包括无线局域网(WLAN)、无线个人区域网(WRAN)。相关有代表性的短距离无线通信技术标准有IrDA(红外线技术)、IEEE802.1lb、802.1la、802.11g、Bluet

6、ooth(蓝牙)、RF(无线射频收发一体芯片技术)、ZigBee(紫蜂技术)、UWB超宽带等1。近年来，蓝牙、无线局域网802.1lb、802.1la、802.11g、以及超宽带无线通信(UWB)等新技术不断涌现，并已经有大量产品迅速占领市场，受到普遍欢迎。本设计给出了一种应用RFID技术，通过STC89C51RC单片机和nRF2401无线射频收发模块来实现的一种无线数据传输系统。该系统工作在2.4GHz-2.5GHz ISM微波频段，在微波频段范围内,2.4GHz是一个全球的公开频段,使用时无需申请，解决了无线频率资源匮乏的问题。本系统由主机（接收系统）和从机（发射系统）组成。发射系统主要是

7、将要发送的数据经单片机处理后,通过nRF2401发送出去。在接收系统中,nRF2401则将数据正确接收后通过液晶显示器（LCD）显示出来,并且调用接收到的数据相关的信息显示在LCD上，实现传输距离大于15米的无线通信。1.2 RFID技术概述射频识别(Radio Frequency Identification简称RFID)技术是90年代兴起的自动识别技术。它是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。RFID收发技术之间进行无线通信频段的国际标准达5种之多,它们分别是135KHz以下，13.56MHz、433.92MHz, 860

8、 MHz-960 MHz（UHF）、以及2.45GHz。五者各具特色也都有缺陷，其RFID频率特性对照表1.1如下2: 前两者使用最广，但通信速度较慢，传输距离也不够长，而后三者频段高，耗电量也大。目前RFID存在两个技术标准阵营，一个是欧美的EPC标准，其RFID采用的是UHF频段，如902MHz928MHz侧重于物流管理、库存管理等；另一个是日本的UID标准，采用的频段为2.45GHz和13.56MHz，可用于库存管理、信息发送与接收以及产品和零部件的跟踪管理等。本课题研究的内容为2.45GHz射频识别数据传输系统，其传输距离较远，非常适合用于仓储物流与供应管理，以及车库车辆管理等等。 射

9、频识别系统从狭义的角度说，由两个部分组成，即接收模块和发送模块。广义的射频识别系统还应该包括实际应用中的后台软硬件，甚至包括所构建的数据传输网络。本文的研究对象是狭义的RFID数据传输系统即接收模块和发送模块。在实际的应用中，发送模块附着在待识别的物品上，当附着有发送模块的待识别物品通过接收模块可识读范围时，接收模块会以无接触的方式自动将发送模块中的约定识别信息取出，从而实现自动识别物品或者自动收集物品标识信息的功能。发送模块是射频识别系统真正的数据载体，接收模块是射频识别系统实现的基础保证。射频识别技术与传统的识别技术有很大的区别，它是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对

10、象并获取相关数据，识别工作无需人工干预，可工作于各种恶劣环境。短距离射频产品不怕油渍、灰尘污染等恶劣的环境，可以解决很多传统识别技术的缺陷，可以替代条形码。正是由于射频识别技术的这些独特的优势，它正逐渐的被广泛应用于工业自动化、商业自动化和交通运输控制管理等领域。另外随着大规模集成电路技术的进步以及生产规模的不断扩大，应用射频识别技术的产品成本将不断降低，其应用将越来越广泛。由于射频识别技术的读取依靠辐射电磁场而不是依靠可见光，这就克服了条码技术由于恶劣天气环境、条码污损等限制带来的识别难，甚至不能识别的问题，从而实现自动读取数据的目的。又由于不用近距离接触，甚至传输距离可以长达近百米，而且发

11、送模块可以粘附在任何动态目标上，只要运动速度在接收模块识别速度限制之内，就可以远距离接收运动物品射频标签上的信息。1.3 RFID的发展历程与现状1.3.1发展历程RFDI技术的发展可按10年期划分如下3:19411950年。雷达的改进和应用催生了RFID技术，1948年奠定了RFID技术的理论基础。19511960年。早期RFID技术的探索阶段，主要处于实验室实验研究。19611970年。RFID技术的理论得到了发展，开始了一些应用尝试。19711980年。RFID技术与产品研发处于一个大发展时期，各种RFID技术测试得到加速。出现了一些最早的RFID应用。19811990年。RFID技术及

12、产品进入商业应用阶段，各种规模应用开始出现。19912000年。RFID技术标准化问题日趋得到重视，RFID产品得到广泛采用，RFID产品逐渐成为人们生活中的一部分。2001年至今，标准化问题日趋为人们所重视，RFID产品种类更加丰富，有源电子标签、无源电子标签及半无源电子标签均得到发展，电子标签成本不断降低，规模应用行业扩大。RFID技术的理论得到丰富和完善。单芯片电子标签、多电子标签识读、无线可读可写、无源电子标签的远距离识别、适应高速移动物体的RFID正在成为现实。1.3.2应用现状RFID技术的应用范畴可分为四类：商品电子防盗系统EAS（Electronic ArticleSurvei

13、llance）、移动数据采集（Portable data capture）、网络系统（Networked systems）、定位系统（Positioning systems）4。 商品电子防盗系统：商品电子防盗系统已经不是一个陌生的名词了，现在的各大超市和零售店中都可以看到。早期的EAS主要应用于防止贵重物品被盗，将射频电子标签附在贵重商品上，读写器定时监测该物品是否在商店内，一旦监测到物品在射频电子标签未被使无效之前离开了商店，便会发出警钟。而现在，EAS已经广泛的应用在各种个样的商品中。 移动数据采集：比如说，在一种移动设备上安装感应器，可感应周围环境的温度、湿度、亮度或某种移动速度，这些

14、数据均会自动存储在附在装置上的射频模块上，数据可由主机读取。网络系统：此系统使用的是固定数据传输系统，可对移动的目标进行跟踪，通常直接跟企业系统连接，是一种典型的目录管理技术。定位系统：可对目标进行定位，可提供导航作用。目标可为各种各样的物体，如汽车、动物，还有人类等等。具体的应用有：动物身份标记、高速公路自动收费、动物的饲养、商品监控系统、有毒废弃药品的管理、门禁管理、邮件/包裹追踪、物品出入库记录、航空行李管理、生产过程监控、药物防伪标志、电子护照、车辆防盗系统等等。1.4 RFID的发展前景与意义1.4.1射频识别技术的发展前景现代营销学资深教授、美国加州大学马伧·费兹尼博士在

15、其现代信息技术与营销革命中指出：在高科技日益普及的时代，传统商业营销方式正在发生根本性的变革，其显著特点是大规模应用现代信息技术，并渗透到顾客消费的全过程，以最大限度地拉动消费，满足顾客的消费需要。Wireless Data Research Group的研究表明，行业的带头作用如EPC以及沃尔玛对供应商提出的要求，将会带动全球RFID市场在2007年达到30亿的销售额。许多公司，如英特尔、微软、IBM、甲骨文、SAP和SUN等IT巨头，正在加紧开发RFID专用的软件和硬件，并纷纷将重金投入此项技术和解决方案的开发。最近，全球最大的零售商沃尔玛提出了一项决议，即“要求其前100家供应商在200

16、5年1月之前向其配送中心发送货盘和包装箱时使用RFID技术，2006年1月前在单件商品中使用这项技术”，把RFID的应用向高峰推进。可见，RFID技术的发展势不可挡。1.4.2开发意义RFID数据传输系统可分为固定式数据传输系统和可移动数据传输系统。目前，运用最广的仍是定时扫描固定式数据传输系统，对应的是无源射频发送器。这种数据传输系统通过天线定时发送一定频率的射频数据，用户只需让发送器处于磁场中，发送器便能产生感应电流从而获得能量，从而向接收器发送出自身的编号或其他相关信息。这样大大地减少了人工，运作速度快，管理效率得到了很大的提高。RFID技术的优点和所能带来的效益将被越来越多人所重视，无

17、疑这项技术将会被越来越广泛地应用，且人们对RFID数据传输系统的要求也将越来越高，因此新型的RFID数据传输系统的出现是必然的。 近年来，一些研究人员已经研究与开发出一些新型的有源RFID数据传输系统。如MR3000有源RFID数据传输系统系列，MR3000是款采用国际最先进的蓝牙技术开发，工作频2.45GHz的长距离RFID数据传输系统，其特点是，外观小巧、美观，低功耗，接收反应快，距离远（读卡范围为径315mm的球形），对非金属物穿透能力强，可多点同时读取数据，带防雷保护，静电干扰能力强，性能稳定；适合于具有”全向识别”的宽通道、要求读卡距离远、识别速度快以及要求对多个点同时进行识别、跟踪

18、和定位场合的应用。符合美国、欧盟高频辐射电磁波国际认证通过，功率极小，时间极短。无疑，RFID数据传输系统将向着集成化、小型化、高速化、高稳定性化、低成本低损耗化、多功能化以及智能化方向发展。 1.5 本课题主要工作 本课题研究的RFID数据传输系统，针对的是2.4GHz-2.5GHz ISM频段的有源射频技术，设计了一款基于nRF2401射频收发芯片的有源RFID数据传输系统。该数据传输系统由一台主机和一台从机构成，进行点对点通信，它能够实现数据传输距离达到15m以上、传输速率高达1Mbps，并具有一定的信息检验能力等性能，主要应用于仓物流与供应管理，以及车库车辆管理等等。主要研究内容有：1

19、.可实现无线通信距离15m;2.进行一对一传输,一台主机,一台从机;3.从机使用按键触发发送,发送完数据后LED闪烁一次;4.主机接收数据成功后LED闪烁一次,并将接收的数据显示在LCD上;5.当主机接收数据并显示在LCD上以后，过5秒调用跟接收到数据相匹配的信息,并显示在LCD上。接收信息为：首先显示内容为“01号”，显示5S后清屏，调用跟“01号”内容相关的信息并进行循环显示，显示内容为：第二行为“姓名：张永”，第三行为“职业：学生”，第四行为“院校：龙岩学校”；每个字显示的时间间隔为0.5S，显示完后循环显示，当再次接收到信息后再重复上述内容。第二章 系统总体设计 在无线射频识别系统中，

20、主机（接收器）是RFID构成的主要部分之一，它起着举足轻重的作用。接收器一般具有以下功能5： 接收模块与发送模块之间的通信功能； 接收模块与计算机之间可以通过标准接口进行通信； 适用于固定和移动标签的识读； 能够校验接收过程中的错误信息。所有这些操作均由软件来完成。在该系统中，从机发出命令，主机响应，从机触发射频发送器并与主机建立通信联系，主机接收射频发送器发射的射频信号，然后进行一系列非接触通信，包括身份验证、数据传输等特定的通信。2.1 2.45GHz RFID数据传输系统设计要求在本论文中，将设计一款工作在2.42.5GHz频段的RFID数据传输系统。该数据传输系统的设计具有功能强、数据

21、传输速度快、交互性能好等特点。主要应用于仓储货物管理以及车库的车辆通行管理。其具体功能要求如下： 工作频率：2.4GHz 2.5GHz； 读写距离：15m； 搜索方式：单目标搜索； 显示器：128×64的分辨率，每屏显示16×4个半角字符或8×4个中文字； 计算机通信：标准RS-232串行通讯协议。基于前面所述对本数据传输系统的设计要求，本数据传输系统主要由控制器、射频收发机及显示模块构成。2.2 系统组成方框图本系统应用nRF2401射频收发模块设计的RFID数据传输系统,充分发挥了射频芯片高集成度、低功耗、工作频率稳定、无需曼彻斯特编码和底层通信协议设计、设计

22、简洁等优点,大大降低了设计成本,缩短了开发周期,并且硬件几乎不用调试,可扩展性好。RFID系统的硬件设计框图如图2-1所示.NRF2401射频模块PCB天线STC89C51 MCU电源模块NRF2401射频模块PCB天线STC89C51 MCU电源模块主机(接收器)从机(发送器)LCD模块键盘控制模块图2-1 RFID数据传输系统组成方框图本系统主要分为射频接口，控制系统和液晶显示三大部分,射频接口即为nRF2401射频模块(包含外围元件及天线),射频接口nRF2401只需要很少的外围电路元件,可以通过微控制器控制SPI接口来控制nRF2401；控制系统即为微控制器(MCU)，本系统设计中主机

23、和从机的微控制器(MCU)均采用低电压、微功耗、高性能单片机STC89C51RC,该单片机可采用C语言开发,内含256字节的随机存取数据存储器RAM和2 000字节的E2PROM,可以将驱动及控制nRF2401的程序写入该闪存,无需外接EPROM而简化了电路设计降低了系统功耗;STC微控制器内置看门狗定时器,可有效避免程序跑飞,使系统抗干扰性大大增强.第三章 系统硬件设计3.1 主控模块（MCU）的设计本设计中，使用的STC89C51RC/RD+系列单片机是宏晶科技推出的新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可任意选择，最新的D版本内部集成MAX810专用

24、复位电路。STC89S52（40-Pin Dip）作为主控芯片，它具有每4个时钟周期为一个机器周期的高速结构，最大外部时钟频率为40MHz，（相当于普通8051的 080MHz）实际工作频率可达48MHz.其指令执行速度快，是标准8051的1.53倍。与标准80C51管脚兼容，指令与MCS-51兼容。拥有4个8位双向I/O口，以及12个中断源，其功能庞大且设计方便。另外还内置可编程看门狗定时器，片上1KB外部数据存储器，可节省更多的I/O口。使用了高稳定性的CMOS准浮栅技术，使存储器可循环编程/擦除100,000次，数据可保存10年6.其主要特点：1. 增强型6时钟/机器周期，12时钟/机器

25、周期 8051 CPU2. 工作电压：5.5V - 3.4V3. 工作频率范围：0 - 40 MHz，相当于普通8051的 080MHz.实际工作频率可达48MHz.4. 用户应用程序空间 4K 字节5. 片上集成 1280 字节 / 512字节 RAM6. 通用I/O口（32/36个），复位后为： P1/P2/P3/P4是准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口）P0口是开漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为I/O口用时，需加上拉电阻。7.ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器/仿真器可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，8K程序3秒即可完成一

26、片8. EEPROM 功能9. 看门狗10.内部集成MAX810专用复位电路（D版本才有），外部晶体20M以下时，可省外部复位电路11.共3个16位定时器/计数器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用12.外部中断4路,下降沿中断或低电平触发中断,Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒13. 通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个UART14.工作温度范围： 0 - 75 / -40 - +8515.封装： LQFP-44,PDIP-40，PLCC-44,PQFP-44, 图3-1 主控制器电路图 本课题选择12MHz晶振作为主控器的外部晶振，图3-1为主

27、控制器电路图。由于芯片内置可编程看门狗，为节省I/O口，本设计不设外部看门狗，选择上电复位电路连接控制器复位端。其中图3-1中的D3为发送数据指示灯，每发送一次数据D3亮一次；P1为一个滤波电路，D4为电源指示灯；P2为程序下载接口。3.2射频收发模块3.2.1无线收发芯片nRF2401本设计使用的无线收发芯片nRF2401是挪威NoRDIC SEMICONDUCTOR公司的产品它把射频收发电路集成在一块芯片上，组成方框图如图4-2所示7。 图3-2 nRF2401内部功能图nRF2401芯片作为一种单片无线收发芯片，它的射频范围为2.4GHz一2.50GHz，这个频率范围称为工业科学医疗(h

28、dushlal Scient55cMedicd ISM)频带，可以自由使用。由图3-2可知，这个芯片内部包含频率综合器、微波功率放大器、信号调制和解调器等部分。微控制器与nRF240l芯片之间的数字传输通过串行接口实现。通过编程，nRF2401芯片的射频工作频率和输出信号的功率等参量可以非常方便地调节。无线收发芯片nRF2401具有以下功能8： 125个工作频道，工作频道之间的转换时间小于200us 无线通信数据具有地址检测和循环冗余(CyclicRedunDancy Check,，CRC)检查。 信号的调制方式为频移键控(FSK) 最大数据传输速率1Mbps 最大输出功率0dB 独特的Sho

29、ck Burst TM射频信号发射模式。该模式降低平均发射功率，降低对微控制器数据传输速率的要求。 接收灵敏度93dBm。 独特的DuoCeiverT“接收模式。该模式支持两个不同工作频道的信号同时接收。 工作电压范围：1.9V一3.6V；具有正常、旁路和掉电3种供电模式。3.2.2 nRF2401引脚功能nRF2401拥有24个管脚，其管脚分布如图3-3所示，其详细的引脚功能可看附录。本次设计主要用以下管脚，下面将重点介绍一下：PWR_UP：芯片激活端;CE： nRF2401的发送/接收模式选择端;CS： nRF2401的配置模式选择端;DR1： 频道1接收准备好信号输出端;DATA： 频道

30、1收/发数据端;CLK1： 传送数据时钟输入端、频道1接收数据时钟输入/输出端;图3-3 nRF2401引脚图3.2.3 nRF2401的工作模式在本课题中，只使用了频道1作为通讯频道，因为频道1的DATA脚是双向的数字I/O口，已满足要求，而频道2的DOUT只能在接收模式中使用，为单向的数字输出口。其中PWR_UP、CE、CS三个引脚控制着nRF2401的四种工作模式：收发模式、配置模式、空闲模式，和关断模式。该三个引脚的功能实现见表3.1表3.1 nRF2401的工作模式(1)收发模式nRF2401的收发模式有Shock Burst TM Mode(猝发模式)和Direct Mode（直接

31、模式）两种，其具体收发方式由器件配置字决定。本设计采用的是Shock Burst TM Mode，本文将简单介绍Shock Burst TM Mode的工作模式。在Shock Burst TM 收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低 速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此， 使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议 相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量 节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在 空中停留时间短，抗干扰性高。Shock Burst TM 技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。同时

32、在 Shock Burst TM 收发模式下，nRF2401 自动处理字头和CRC 校验码。在接收数据时，自动把字头和 CRC 校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和 CRC 校验码，当发送过程完成后，DR 引脚通知微处理器数据发射完毕。. ShockBurst TM方式下的发射时序 STC89C51RC单片机向nRF2401无线收发芯片传送数据通过引脚CE、引脚CLKl和引脚DATA进行。这三个引脚现在都是输入引脚，所需的信号由单片机产生。ShockBurstW方式下发射状态的时序图如图3-4所示。8图3-4 ShockBurstW方式下发射状态的时序图 单片机向nRF2401无线收发芯片

33、传送数据时首先需要把芯片使能引脚(CE)变成高电乎；然后每向数据输入引脚(DATA)送去一位数据，向同步时钟引脚(CLKl)送去一个时钟，在这个时钟前沿的作用下，数据被移入nRF2401芯片内部的存储器。当一个数据帧中的PAYLOAD部分全部被移入nRF2401芯片的内部存储器，在芯片使能引脚(CE)信号下跳边沿的作用下，射频发送过程被启动。图中有4个时间参数在编程时必须满足要求。 Tce2data：从片选信号到数据输入的最小延迟时间，5us。 Ts：数据建立时间，最小值为500ns。 Th：数据保持时间，最小值为500ns。 THmin：最小时钟高电平保持时间500ns。 从芯片使能引脚(C

34、E)信号下跳边沿到开始发射射频信号之间有一段延迟时间Tsby2txSB，这个时间的最大值为195us。Toa为发射射频信号的时间，这个时间既取决于射频传输数据帧的长度，也取决于由配置字中OD(D13)位所确定的射频输出数据率。前一次芯片位能引脚(CE)信号下跳边沿到后一次芯片使能引脚(CE)信号上跳边沿之间的时间间隔必须大于延迟时间Tsby2txSB和发射射频信号时间Toa的相加值。发射的子程序设计如下：/ 初始化nRF2401模块voidInitRFModuel(void)INT16Ui;RFPowerOff();/ nRF2401掉电for(i=0; i<50; i+);/ 延时In

35、itRFPort();/ 初始化nRF2401的控制端口for(i=0; i<1000; i+);/ 延时RFPowerOn();/ nRF2401上电for(i=0; i<20000; i+);/ 延时RFCSEnable(TRUE);/ 拉高csRFCEEnable(FALSE);/ 拉低ce / 使用ShockBursh模式for(i=0; i<15; i+)RfSPIBus(RFConfigTbli);RFCSEnable(FALSE);/ 拉低cs/ 控制nRF2401发送一个数据包voidRFTransmitData(INT8U* addr, INT8U *dat

36、)INT8Ui;RFCSEnable(FALSE);/ 拉低csRFCEEnable(TRUE);/ 拉高ce/ 将nRF2401要发送的主机地址写入到nRF2401中for(i=0; i<RF_ADDR_LEN; i+)RfSPIBus(*addr+);/ 将要发送的数据包(字节)写入nRF2401中for(i=0; i<3; i+)RfSPIBus(*dat+);RFCEEnable(FALSE);/ 拉低ce, nRF2401自己去控制发送过程. ShockBurst TM 方式下的接收时序STC89C51RC单片机从nRF2401无线收发芯片读出数据也是通过引脚CE、引脚C

37、LKl、引脚DATA和接收数据准备好引脚DR进行。与发射惟一的区别是引脚DATA为输出引脚，它向单片机输出数据，使能信号CE和同步移位时钟CLKl仍由单片机产生。ShockBurst TM“方式下接收状态的时序图如图3-5所示。8 图3-5 ShockBurst TM 方式下的接收时序 图3-5所示的ShockBurst TM方式接收状态时序图既适合接收通道1，也适合接收通道2。当nRF2401无线收发芯片完成某个接收通道一个数据帧的接收时，对应的接收数据准备好引脚DR被置1。单片机每向同步时钟引脚(CLKl)送去一个时钟，在这个时钟前沿的作用下，数据被从nRF2401芯片内部的存储器移出，从

38、引脚DATA输出。芯片内部存储器中所有数据被移出以后，接收数据准备好引脚DR被清0。接收时，使能信号CE可以一直保持高电平。图中有4个时间参数在编程时必须满足要求。 Td：从接收数据推备好到时钟输入的延迟时间，50ns。 Tdr2clk：从接收数据准备好到第一个时钟结束的最小延迟时间50ns， Tclk2data：数据保持时间，最小值为50ns。THmin：最小时钟高电平保持时间500ns。接收的子程序设计如下:/ 初始化RF模块voidInitRFModuel(void)INT16Ui;RFPowerOff();/ 关电for(i=0; i<50; i+);/ 延时InitRFPort

39、();/ 初始化RF控制端口for(i=0; i<1000; i+);/ 延时RFPowerOn();/ 开电for(i=0; i<20000; i+);/ 延时RFCSEnable(TRUE);/ cs置高RFCEEnable(FALSE);/ ce置低/ 使用ShockBursh模式发送15个字节的控制字for(i=0; i<15; i+)RfSPIBus(RFConfigTbli);/ 使用spi总线方式发送RFCSEnable(FALSE);/ cs置低/ 接收数据BOOLEANRFReceiveData(INT8U* dat)INT8Ui;RFCSEnable(FA

40、LSE);/ cs置低RFCEEnable(TRUE);/ ce置高RFDREnable(TRUE);/ dr置高准备读数据检测if(RFIsHaveData()/ 如果dr没有被nRF2401拉低,说明有数据接收完成/ 读出3个字节的数据for(i=0; i<3; i+)*dat+= RfSPIBus(0x00);/ spi方式读出数据,并存入dat缓冲区return TRUE;/ 返回TRUE,告诉调用者,读取数据成功return FALSE;/ 返回FALSE,告诉调用者,数据未读取成功(2).配置模式nRF2401的所有配置工作都是通过CS、CLK1和DATA三个引脚的控制和一个

41、配置寄存器来完成。将其配置为ShockBurst TM收发模式需要15字节的配置字，而将其配置为直接收发模式则只需要2字节的配置字。本课题将采用nRF2401的Shock Burst TM收发模式，在此将针对Shock Burst TM收发模式重点介绍nRF2401的配置方法。Shock Burst TM的配置字使nRF2401能够处理射频协议，一旦15字节的配置字全部传输到nRF2401并使其进入收发模式，只需改变配置字的最低一个字节内容，便可实现接收模式和发送模式之间的切换。Shock Burst TM的配置块可以配置以下五个部分：有效数据长度：指定射频数据包中有效数据占用的位数，这使得n

42、RF2401 能够区分接收数据包中的有效数据和CRC校验码；地址：接收到数据的存储地址，分别对应于接收频道1和接收频道2；地址位数：规定射频数据包中接收点地址占用的位数，这使得nRF2401能够区分地址和数据；CRC位数：8位或16位CRC码选择；CRC使能：使能nRF2401的CRC校验功能。当使用nRF2401片内的CRC技术时，要确保在配置字中CRC校验被使能，并且发送和接收使用相同的协议。nRF2401的各个位的描述如表3-2所示。 表3.2 NRF2401配置字(3). 空闲模式空闲模式的设计，是为了减小nRF2401的平均工作电流损耗，同时保持短的芯片启动时间。在空闲模式下，nRF

43、2401内部的部分晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4MHz时工作电流为12uA，外部晶振为16MHz时工作电流为32uA。在空闲模式下，nRF2401片内的配置字内容保持不变。(4). 关断模式在关断模式下，其工作电流减至最小，一般情况下都小于1uA。关机模式下，nRF2401片内的配置字内容不会因为关断模式而被清除，这是该模式与断电状态最大的区别。3.2.4射频数据包无论是直接收发模式还是ShockBurst TM模式，其发射或接收的数据包均由四部组成，分别为字头、地址、有效数据和CRC校验码,如下图3.6所示。 图3.6 发射或接收的数据包 字头置于通信信号最

44、前端，标志着通信信号开始。该字头有两种形式存在；01010101和10101010。字头形式由地址码的第一位决定，若地址码第一位为0，字头则为01010101,反之亦然。而接收端则利用这一信号同步其内部时钟。3.3通过主控器对nRF2401的功能实现虽然nRF2401在发送射频数字信号时能够自动地对数据添加字头和CRC码，接收时又能自动去除字头以及检验数据传输的正确性，然而nRF2401的所有这些行为需要主控器的控制才能得以实现。3.3.1 射频收发器电路图本课题针对工作频率在2.45GHz的数据传输系统而设计的，其中射频发送部分也是通过射频收发模块来实现.图3-7为射频收发模块电路图6，天线

45、接口连接了由C9和L1组成的匹配电路，再通过由C4、C5和L2组成的滤波器与内置的功率放大器供电接口VDD_PA相连接（2401内部功能结构见图4-2）。2401的数据发射率最高可达1Mbps，根据芯片要求只有外接晶振为16MHz时才能达到此数据发射率。图4-10是收发模块跟主控制器连接电路图。图 3-7 nRF2401模块电路图 图3-8 射频收发模块跟主控制器连接电路图 nRF2401几个重要的信号引脚有PWR_UP、CS、CE，DR、CLK、DATA。首先将STC89C51RC分配给nRF2401接收频道1的CLK1、DATA。为了使PCB板设计方便，将串行口1周围的几个引脚按顺序分配给

46、其他的信号引脚。具体接法为：CE接P1.0；CS接P1.1；CLK1接P1.2(TXD1)；DATA接P1.3(RXD1)；DR接P1.4(INT2)；PWR_UP接P1.53.4 LCD显示模块 本设计中的RFID数据传输系统，具有能够进行数据通信，以及信息显示的功能，因此系统除了控器模块、射频收发模块外，还包括LCD显示模块.3.4.1 LCD芯片介绍本次设计利用的FYD12864-0402B是一种具有4位/8位并行，2线或3线串行多种接口式,内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64, 内置8192个16*16点汉字，和128个16*8

47、点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。基本特性如下:11 低电源电压（VDD:+3.0-+5.5V） 显示分辨率:128×64点 内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选) 内置 128个16×8点阵字符 2MHZ时钟频率 显示方式：S

48、TN、半透、正显 驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS 视角方向：6点 背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/51/10 通讯方式：串行、并口可选 内置DC-DC转换电路，无需外加负压 无需片选信号，简化软件设计 工作温度: 0 - +55 ,存储温度: -20 - +60图3-9 FYD12864-0402B内部方框图3.4.2 FYD12864-0402B的应用FYD12864-0402B芯片分为并行接口方式和串口接口方式两种方式，本次设计中使用了FYD12864-0402B的串行接口方式。FYD12864拥有20个管脚，而在串行接口方式中只使用到了其中的10个管脚，

49、如表4-3所示。其中有三个关键管脚分别为SID、SCLK以及CS,它们是所有指令码输入以及数据传输的关键控制端。表3-3 串行接口管脚信号对FYD12864进行的数据传输，均由24个指令码为一组的指令实现，图3-10为FYD12864在串行接口模式下的数据传输时序图。其关键指令码分别为RS、R/W，以及D7D0。图3-10为FYD12864在串行接口模式下的数据传输时序图当RS=0时，表示D7D0为显示数据；RS=1，则表示D7D0为指令数据。而R/W则为读/写使能端，为高电平时D7D0是从数据暂存器被读出的数据；低电平时为被写入暂存器的数据。由RS和R/W的配合选择所决定的控制界面有4种：R

50、S R/W 功能说明0 0 控制器写指令到指令暂存器（IR）0 1 读出忙标志（BF）及地址计数器（AC）的状态1 0 控制器将数据D7D0写入到数据暂存器（DR）1 1 控制器从数据暂存器（DR）中读数据D7D0当RS=0且R/W=0时，控制器将对显示器进行指令写入，共有八种不同的基本指令操作，如表5-2所示（在此只讨论RE=0的情况，即基本指令操作）表3-4指令表（RE=0） 当RS和R/W分别为0和1时，那么D7D0的值分别为BF和AC6AC0，其功能是读取忙标志（BF），可以确认内部动作是否完成，同时可以读出地址计数器（AC）的值。那么，所有的指令输入以及数据的写入或读出，均可按照图5

51、-2的时序操作：11111, RS, RW, 0, D7, D6, D5, D4, 0000, D3, D2, D1, D0, 0000来实现。3.4.3 主控制器控制FYD12864-0402B的电路图 FYD12864的功能实现电路见图3-12。其中片选端CS（L_CS）接P2.3；数据传输端SID接P2.4；时钟SCLK接P2.5；PSB接地，选择为串行接口模式；复位端RST可通过一个电阻R3与电源连接，电阻R1则用于亮度调节。图3.11液晶显示控制电路图第四章 系统软件设计本系统中的无线数据传输主要由无线数据收发器nRF2401、STC89C51RC单片机和显示部分组成。nRF2401

52、收发器与单片机STC89C51RC间通过SPI口进行通信。因此,软件设计过程中的重点是nRF2401数据的发送和接收过程。nRF2401的收发模式有ShockBurst TM Mode和Direct Mode两种，其具体收发方式由器件配置字决定。本设计采用的是ShockBurst TM Mode，我们将简单介绍Shock Burst TM Mode的工作流程。4.1 ShockBurst TM Mode的发送流程 使用的接口引脚为CE、CLK1、DATA，其发送流程如图4-1所示。 A. 当微控制器有数据要发送时，将CE置高，使nRF2401工作处于收发模式； B. 将接收点的地址和要发送的数

53、据按时序送入nRF2401； C. 微控制器把CE置低，激发nRF2401进行ShockBurst TM发射； D. nRF2401的ShockBurst TM发射给射频前端供电；射频数据打包(加字头、CRC校验码)；高速发射数据包；发射完成，nRF2401进入等待状态。4.2 ShockBurst TM Mode的接收流程使用的接口引脚为CE、DR1、CLK1和DATA(以频道1为例)，其接收流程如图4-2所示。A.配置本机地址和要接收的数据包大小；B.进入接收状态，把CE置高；C.200us后，nRF2401进入监视状态，等待数据包的到来；D.当接收到正确的数据包时，nRF2401自动把字

54、头、地址和CRC校验位去除；E.nRF2401通过把DR1置高，引起微控制器中断，通知微控制器可进行数据接收；F.微控制器把数据从nRF2401移出；NONONOnRF处于猝发发射模式CE=1nRF2401测字头与地址数据 地址是否正确?nRF2401接收数据以及CRC校验CRC校验正确否?nRF2401传送数据到MCUnRF2401把DR1置高nRF数据寄存器为空nRF2401把DR1置0NO图4-2 ShockBurst TM接收流程G.所有数据移完，nRF2401把DR1置低，此时如果CE为高，则等待下一个数据包，如果CE为低，则开始其它工作流程。nRF处于猝发发射模式CE=1接收MCU传来的数据和地址nRF2401根据数据计算CRC码 CE=0?nRF2401高速发送数据包nRF2401给发送数据加字头发送完毕？YES 图4-1 ShockBurst TM发射流程4.3 数据传输系统主程序流程图开始 系统初始化 定义键值类型 Led闪烁，按值存入缓冲1区 有按键吗 向主机发送数据包否 是 开始 系统初始化 是否接收到数据 是否是发送按键？ 是led闪烁，显示接收的数 是清除按键？ 有按键按下? 是否5秒后进入动画状态 led闪