【正文】 第1章 方案論證隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已成為當(dāng)今通信業(yè)乃至整個(gè)信息業(yè)的熱點(diǎn)，不但可以應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸電臺(tái)，還可以應(yīng)用于無(wú)線遙控、報(bào)警、無(wú)線局域網(wǎng)、軍事通信等范圍，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。目前，無(wú)線數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣：遙控遙測(cè)、無(wú)線抄表、門禁系統(tǒng)、身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、無(wú)線標(biāo)簽、安全防火系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、機(jī)器人控制等。凡是布線繁雜或不允許布線的場(chǎng)合都希望能通過(guò)無(wú)線方案來(lái)解決。為此,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的接口系統(tǒng)，控制這些射頻芯片工作,完成可靠穩(wěn)定的無(wú)線數(shù)據(jù)通信。基于達(dá)成以上要求本人設(shè)計(jì)了一款基于無(wú)線傳輸模塊的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。 此次方案設(shè)計(jì)使用的元器件主要有兩種分別是單片機(jī)和無(wú)線傳輸模塊，使用單片機(jī)控制無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，單片機(jī)準(zhǔn)備用比較熟悉的AT89S51單片機(jī)，無(wú)線傳輸模塊準(zhǔn)備用性價(jià)比比較高的nRF24L01。本系統(tǒng)通過(guò)利用無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行的無(wú)線通信傳輸，圖1通過(guò)用單片機(jī)控制無(wú)線傳輸模塊1進(jìn)行發(fā)送無(wú)線信號(hào)，然后用單片機(jī)控制無(wú)線傳輸模塊2接收無(wú)線傳輸模塊1所發(fā)出的無(wú)線信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)1對(duì)1的無(wú)線信號(hào)傳輸。圖2所示的是通過(guò)單片機(jī)控制3個(gè)無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行相互的無(wú)線傳輸。單片機(jī) 無(wú)線 傳輸 模塊 1 無(wú)線 傳輸 模塊 2 單片機(jī) 1對(duì)1無(wú)線傳輸原理框圖單片機(jī) 無(wú)線 傳輸 模塊 1 無(wú)線 傳輸 模塊 2 單片機(jī) 單片機(jī) 無(wú)線 傳輸 模塊 3 3模塊間相互無(wú)線傳輸原理框圖方案一：采用nRF24L01本方案采用的無(wú)線傳輸模塊是nRF24L01，nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，～ GHz ISM頻段?！?V，有多達(dá)125個(gè)頻道可供選擇。可通過(guò)SPI寫入數(shù)據(jù)，最高可達(dá)10 Mb/s，數(shù)據(jù)傳輸率最快可達(dá)1 Mb/s，并且有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能。芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融進(jìn)了增強(qiáng)式ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9 mA， mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。 無(wú)線傳輸模塊nRF24L01方案二：采用nRF9E5本方案采用的無(wú)線傳輸模塊是nRF9E5，nRF9E5是一種微型32引腳QFN ( 5x5 mm)封裝的芯片。工作電壓直流1. 9 ～3. 6 V,工作頻率433MHz，868～915MHz。nRF9E5主要由兼容8051的微控制器；nRF9E5無(wú)線通訊模塊；A /D轉(zhuǎn)換模塊和一些與邏輯端口連接的其他功能模塊: 包括SP I可編程串行接口、PWM脈沖寬度調(diào)制、低功率RC振蕩器、看門狗定時(shí)器和RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘喚醒模塊等組成。綜上所述，方案1選擇的無(wú)線傳輸模塊nRF24L01它的工作速率可以達(dá)到1Mbps，而nRF9E5的工作速率只有100kbps， nRF24L01的功耗可以達(dá)到—6dBm比nRF9E5的功耗低，并且nRF24L01具有CRC糾檢錯(cuò)硬件電路和協(xié)議，使得模塊運(yùn)行穩(wěn)定可靠，而nRF24L01的價(jià)格卻只有nRF9E5價(jià)格的一半。隨著電子技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，單片機(jī)也已有許多型號(hào)，常見(jiàn)的有Intel公司的MCS515251系列；ZILOG的Z8系列；Philips公司的80C51和51XA系列；Motorola的68HC05/08系列；Microchip公司的PIC18CXX系列單片機(jī)；Atmel公司的89系列；Sunplus公司的SPCE061A系列單片機(jī)；Winbond公司的78E51系列等。 方案一: 采用Microchip公司的PIC18F4620本方案采用的是采用PIC18F4620單片機(jī)，PIC18F4620采用哈佛結(jié)構(gòu)，以及RISC指令系統(tǒng)單片機(jī)，其具有1K RAM，64K FLASH，豐富的I/O口資源，內(nèi)置A/D，內(nèi)置EEPROM，看門狗電路，倍頻電路等豐富的外圍模塊，一個(gè)指令周期是四個(gè)機(jī)器周期，運(yùn)算速度快，完全能夠滿足我們的系統(tǒng)要求。但由于其不是主流單片機(jī)，價(jià)格比較高，購(gòu)買不方便，使用不廣泛，放棄此方案。方案二：采用ATMEL公司的AT89S51ATMEL公司的AT89S51，它以經(jīng)典的8031為內(nèi)核，有一個(gè)8位的微處理器，不僅可以處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還支持位操作，片內(nèi)擁有8KB的Flash ROM 程序存儲(chǔ)器，256B RAM的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，中斷系統(tǒng)擁有6個(gè)中斷源，分兩級(jí)優(yōu)先權(quán)，一個(gè)串行口，4個(gè)8位并行IO口：P0、PPP3，具有很強(qiáng)的運(yùn)算、控制能力，而且與其他單片機(jī)相比具有很強(qiáng)的穩(wěn)定性，價(jià)格低，性價(jià)比高。綜上所述，根據(jù)本畢設(shè)的要求，選用AT89S51單片機(jī)。 單片機(jī)AT89S51與無(wú)線收發(fā)模塊nRF24L01連接時(shí)，由于AT89S51工作電壓為5V，而nRF24L01工作電壓為3V左右，因而要在兩個(gè)芯片之間加上電壓轉(zhuǎn)換電路。方案論證如下：方案一：采用電位計(jì)進(jìn)行分壓 電位計(jì)分壓電路圖根據(jù)電阻串聯(lián)分壓原理 （1．2），Ui為單片機(jī)輸出電壓，Uo為分得電壓，即nRF24L01的輸入電壓。通過(guò)調(diào)節(jié)電位計(jì)，使Uo=，以此達(dá)到電平轉(zhuǎn)換的作用。采用電位計(jì)通過(guò)分壓來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，雖說(shuō)在理論上能夠進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，但是在實(shí)踐操作中，卻存在著很大問(wèn)題，主要體現(xiàn)在：人為影響太大。每次實(shí)驗(yàn)前都需檢測(cè)與調(diào)節(jié)Uo是否在nRF24L01的工作范圍內(nèi)，以防止nRF24L01被過(guò)高的電壓燒壞，整個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路不夠穩(wěn)定。 方案二：采用穩(wěn)壓模塊LM1117LM1117它只有三個(gè)引腳，外接電路簡(jiǎn)單，只需要兩個(gè)電容。，引腳1接5V電壓。引腳3接地。，來(lái)作為nRF24L01的工作電壓。GND VCC Vout 3 1 2 LM1117引腳分配圖 LM1117引腳功能引腳名稱功能描述1VCC輸入端2Vout輸出端3GND地線綜上所述，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求并比較以上兩種方案，采用穩(wěn)壓模塊LM1117電路簡(jiǎn)單易行，穩(wěn)定性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換。因而選用第二種方案。第2章 關(guān)鍵芯片 引言由于無(wú)線數(shù)據(jù)通信不用布線，快速布局，因此具有有線數(shù)據(jù)通信無(wú)法比擬的便捷性，在特殊場(chǎng)合具有不可替代性。然而，傳統(tǒng)的由基本射頻集成電路搭建的無(wú)線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)存在電路復(fù)雜，成本高，傳輸速率低，可靠性差等缺點(diǎn)。因此，我們選擇了一款工業(yè)級(jí)內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本單芯片nRF24L01型無(wú)線收發(fā)器件。該器件采用GFSK調(diào)制，128個(gè)頻點(diǎn)自動(dòng)跳頻，片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼，具有出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)功能，這些特性使得由nRF24L0l構(gòu)建的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有成本低，速率高，傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)。 nRF24L01 nRF24L01芯片的介紹nRF24L01是一種單片無(wú)線收發(fā)器，~。nRF24L01由完全集成的頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成。 nRF24L01芯片結(jié)構(gòu)圖 nRF240L1功能分析nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，～ 頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)軟件進(jìn)行設(shè)置。芯片能耗非常低，以5dBm的功率發(fā)射時(shí)，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。125個(gè)頻道，滿足多頻及跳頻需要，高速率1Mbps，高于藍(lán)牙，具有高數(shù)據(jù)吞吐量。發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過(guò)軟件設(shè)置完成。nRF24L01內(nèi)置了CRC校驗(yàn)碼，軟件開(kāi)發(fā)相對(duì)簡(jiǎn)單。nRF24L01適用于多種無(wú)線通信的場(chǎng)合，如無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無(wú)線鼠標(biāo)、遙控玩具、警報(bào)和安全系統(tǒng)、家用自動(dòng)化、監(jiān)視系統(tǒng)等。 nRF24L01引腳功能引腳名稱引腳功能描述1CE數(shù)字輸入RX或TX 模式選擇2CSN數(shù)字輸入SPI片選信號(hào)3SCK數(shù)字輸入SPI時(shí)鐘4MOSI數(shù)字輸入從SPI數(shù)據(jù)輸入腳5MISO數(shù)字輸出從SPI數(shù)據(jù)輸出腳6IRQ數(shù)字輸出可屏蔽中斷腳7VDD電源電源+3V8VSS電源接地0V9XC2模擬輸出晶體震蕩器2腳10XC1模擬輸入晶體震蕩器1腳/外部時(shí)鐘輸入腳11VDD_PA電源輸出給RF的功率放大器提供的+12ANT1天線天線接口113ANT2天線天線接口214VSS電源接地0V15VDD電源電源+3V16IREF模擬輸入?yún)⒖茧娏?7VSS電源接地0V18VDD電源電源+3V19DVDD電源輸出去耦電路電源正極端20VSS電源接地0VnRF24L01有四種工作模式：發(fā)送模式、接收模式、待機(jī)模式和掉電模式。nRF24L01的工作模式由PWR_UP 、PRIM_RX和CE三個(gè)引腳決定。 nRF24L01工作模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO 寄存器狀態(tài)接收模式111 —發(fā)送模式101 數(shù)據(jù)在TX FIFO 寄存器中發(fā)送模式101—0停留在發(fā)送模式直至數(shù)據(jù)發(fā)送完待機(jī)模式II101TX FIFO 為空待機(jī)模式I1—0無(wú)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綦娔Ｊ?— ——各種工作模式詳述如下：收發(fā)模式有Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式、 ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式三種，收發(fā)模式由器件配置字決定 Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速?gòu)奈⒖刂破魉腿?，但高?1Mbps)發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行，這種做法有三大好處：盡量節(jié)能；低的系統(tǒng)費(fèi)用(低速微處理器也能進(jìn)行高速射頻發(fā)射)；數(shù)據(jù)在空中停留時(shí)間短，抗干擾性高。Enhanced ShockBurstTM技術(shù)同時(shí)也減小了整個(gè)系統(tǒng)的平均工作電流。在Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式下，nRF24L01自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)把字頭和CRC校驗(yàn)碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)加上字頭和CRC校驗(yàn)碼，在發(fā)送模式下，置CE為高，至少10us，將時(shí)發(fā)送過(guò)程完成后。(1) Enhanced ShockBurstTM發(fā)射流程A、把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時(shí)序送入nRF24L01；B、配置CONFIG寄存器，使之進(jìn)入發(fā)送模式。C、微控制器把CE置高（至少10us），激發(fā)nRF24L01進(jìn)行Enhanced ShockBurstTM發(fā)射；D、nRF24L01的Enhanced ShockBurstTM發(fā)射● 給射頻前端供電；● 射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、CRC校驗(yàn)碼)；● 高速發(fā)射數(shù)據(jù)包；● 發(fā)射完成，nRF24L01進(jìn)入空閑狀態(tài)。(2) Enhanced ShockBurstTM接收流程A、配置本機(jī)地址和要接收的數(shù)據(jù)包大??；B、配置CONFIG寄存器，使之進(jìn)入接收模式，把CE置高。C、1