【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，無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已成為當(dāng)今通信業(yè)乃至整個信息業(yè)的熱點，不但可以應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸電臺，還可以應(yīng)用于無線遙控、報警、無線局域網(wǎng)、軍事通信等范圍，具有一定的實際應(yīng)用價值。目前，無線數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣：遙控遙測、無線抄表、門禁系統(tǒng)、身份識別、非接觸RF智能卡、無線標(biāo)簽、安全防火系統(tǒng)、生物信號采集、機器人控制等。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望能通過無線方案來解決。為此,需要設(shè)計相應(yīng)的接口系統(tǒng)，控制這些射頻芯片工作,完成可靠穩(wěn)定的無線數(shù)據(jù)通信。基于達成以上要求本人設(shè)計了一款基于無線傳輸模塊的網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)。 此次方案設(shè)計使用的元器件主要有兩種分別是單片機和無線傳輸模塊，使用單片機控制無線傳輸模塊進行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，單片機準(zhǔn)備用比較熟悉的AT89S51單片機，無線傳輸模塊準(zhǔn)備用性價比比較高的nRF24L01。本系統(tǒng)通過利用無線傳輸模塊進行的無線通信傳輸，圖1通過用單片機控制無線傳輸模塊1進行發(fā)送無線信號，然后用單片機控制無線傳輸模塊2接收無線傳輸模塊1所發(fā)出的無線信號，從而實現(xiàn)1對1的無線信號傳輸。圖2所示的是通過單片機控制3個無線傳輸模塊進行相互的無線傳輸。單片機 無線 傳輸 模塊 1 無線 傳輸 模塊 2 單片機 1對1無線傳輸原理框圖單片機 無線 傳輸 模塊 1 無線 傳輸 模塊 2 單片機 單片機 無線 傳輸 模塊 3 3模塊間相互無線傳輸原理框圖方案一：采用nRF24L01本方案采用的無線傳輸模塊是nRF24L01，nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，～ GHz ISM頻段?！?V，有多達125個頻道可供選擇?？赏ㄟ^SPI寫入數(shù)據(jù)，最高可達10 Mb/s，數(shù)據(jù)傳輸率最快可達1 Mb/s，并且有自動應(yīng)答和自動再發(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，并融進了增強式ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以6 dBm的功率發(fā)射時，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)計更方便。 無線傳輸模塊nRF24L01方案二：采用nRF9E5本方案采用的無線傳輸模塊是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、看門狗定時器和RTC實時時鐘喚醒模塊等組成。綜上所述，方案1選擇的無線傳輸模塊nRF24L01它的工作速率可以達到1Mbps，而nRF9E5的工作速率只有100kbps， nRF24L01的功耗可以達到—6dBm比nRF9E5的功耗低，并且nRF24L01具有CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議，使得模塊運行穩(wěn)定可靠，而nRF24L01的價格卻只有nRF9E5價格的一半。隨著電子技術(shù)的發(fā)展與進步，單片機也已有許多型號，常見的有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；Atmel公司的89系列；Sunplus公司的SPCE061A系列單片機；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，PIC18F4620采用哈佛結(jié)構(gòu)，以及RISC指令系統(tǒng)單片機，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，一個指令周期是四個機器周期，運算速度快，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，價格比較高，購買不方便，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 程序存儲器，256B RAM的數(shù)據(jù)存儲器，中斷系統(tǒng)擁有6個中斷源，分兩級優(yōu)先權(quán)，一個串行口，4個8位并行IO口：P0、PPP3，具有很強的運算、控制能力，而且與其他單片機相比具有很強的穩(wěn)定性，價格低，性價比高。綜上所述，根據(jù)本畢設(shè)的要求，選用AT89S51單片機。 單片機AT89S51與無線收發(fā)模塊nRF24L01連接時，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：采用電位計進行分壓 電位計分壓電路圖根據(jù)電阻串聯(lián)分壓原理 （1．2），Ui為單片機輸出電壓，Uo為分得電壓，即nRF24L01的輸入電壓。通過調(diào)節(jié)電位計，使Uo=，以此達到電平轉(zhuǎn)換的作用。采用電位計通過分壓來進行電平轉(zhuǎn)換，雖說在理論上能夠進行電平轉(zhuǎn)換，但是在實踐操作中，卻存在著很大問題，主要體現(xiàn)在：人為影響太大。每次實驗前都需檢測與調(diào)節(jié)Uo是否在nRF24L01的工作范圍內(nèi)，以防止nRF24L01被過高的電壓燒壞，整個電平轉(zhuǎn)換電路不夠穩(wěn)定。 方案二：采用穩(wěn)壓模塊LM1117LM1117它只有三個引腳，外接電路簡單，只需要兩個電容。，引腳1接5V電壓。引腳3接地。，來作為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)實驗要求并比較以上兩種方案，采用穩(wěn)壓模塊LM1117電路簡單易行，穩(wěn)定性強，可實現(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)通信無法比擬的便捷性，在特殊場合具有不可替代性。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。因此，我們選擇了一款工業(yè)級內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本單芯片nRF24L01型無線收發(fā)器件。該器件采用GFSK調(diào)制，128個頻點自動跳頻，片內(nèi)自動生成報頭和CRC校驗碼，具有出錯自動重發(fā)功能，這些特性使得由nRF24L0l構(gòu)建的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有成本低，速率高，傳輸可靠等優(yōu)點。 nRF24L01 nRF24L01芯片的介紹nRF24L01是一種單片無線收發(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軟件進行設(shè)置。芯片能耗非常低，以5dBm的功率發(fā)射時，接收時工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計更方便。125個頻道，滿足多頻及跳頻需要，高速率1Mbps，高于藍牙，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)全部通過軟件設(shè)置完成。nRF24L01內(nèi)置了CRC校驗碼，軟件開發(fā)相對簡單。nRF24L01適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控玩具、警報和安全系統(tǒng)、家用自動化、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3SCK數(shù)字輸入SPI時鐘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、待機模式和掉電模式。nRF24L01的工作模式由PWR_UP 、PRIM_RX和CE三個引腳決定。 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)送完待機模式II101TX FIFO 為空待機模式I1—0無數(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)低速從微控制器送入，但高速(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)的所有高速信號處理都在片內(nèi)進行，這種做法有三大好處：盡量節(jié)能；低的系統(tǒng)費用(低速微處理器也能進行高速射頻發(fā)射)；數(shù)據(jù)在空中停留時間短，抗干擾性高。Enhanced ShockBurstTM技術(shù)同時也減小了整個系統(tǒng)的平均工作電流。在Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式下，nRF24L01自動處理字頭和CRC校驗碼。在接收數(shù)據(jù)時，自動把字頭和CRC校驗碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時，自動加上字頭和CRC校驗碼，在發(fā)送模式下，置CE為高，至少10us，將時發(fā)送過程完成后。(1) Enhanced ShockBurstTM發(fā)射流程A、把接收機的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時序送入nRF24L01；B、配置CONFIG寄存器，使之進入發(fā)送模式。C、微控制器把CE置高（至少10us），激發(fā)nRF24L01進行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校驗碼)；● 高速發(fā)射數(shù)據(jù)包；● 發(fā)射完成，nRF24L01進入空閑狀態(tài)。(2) Enhanced ShockBurstTM接收流程A、配置本機地址和要接收的數(shù)據(jù)包大小；B、配置CONFIG寄存器，使之進入接收模式，把CE置高。C、1