【文章內(nèi)容簡介】 8B20 會拉低總線，外部供電的 DS18B20 會繼續(xù)保持總線高電平。 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 14 6 nRF905 無線數(shù)傳芯片簡介 挪威 NORDIC 公司推出 了一種單片射頻芯片是本次系統(tǒng)設(shè)計的核心 ， 此芯片工作 于 ~ 電壓范圍內(nèi) ， 使用 433MHz/868MHz/915MHz 的 ISM 頻段，頻道轉(zhuǎn)換時間小于 650μs，數(shù)據(jù)傳輸速率 最大 為 100Kb/s。 nRF905 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是 頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和 GFSK 調(diào)制器等組成 。 此外，功耗較低 。由于其收發(fā)可靠，使用方便，所以在工業(yè)控制、消費(fèi)電子各領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)與封裝 nRF905 片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器和功率放大器等模塊，曼徹斯特編碼 /解碼有片內(nèi)硬件完成，用戶無須對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因而使用方便。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 所示 【 7】 。 圖 nRF905 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 15 nRF905 采用 32 引腳的 QFN 5mm*5mm 小封裝（ 32L QFN 5mm*5mm） ,體積小，節(jié)省印制板面積。圖 是 nRF905 的封裝和引腳分布 【 7】 。 圖 nRF905 的封裝和引腳分布 工作模式 nRF905 有兩種工作模式和兩種節(jié)電模式。兩種工作模式分別是 ShockBurstTM接收模式和 ShockBurstTM 發(fā)送模式 ，兩種節(jié)電模式分別是掉電模式和待機(jī)模式。nRF905 的工作模式由 TRX_CE,TX_EN 和 PWR_UP 三 引腳決定，詳見表 。 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 16 表 nRF905 工作模式 PWR_UP TRX_CE TX_EN 工作模式 0 X X 掉電和 SPI 編程 1 0 X 待機(jī)和 SPI 編程 1 1 0 接收 1 1 1 發(fā)射 ShockBurstTM 模式 與射頻數(shù)據(jù)包有關(guān)的高速信號處理都在 nRF905 片內(nèi)進(jìn)行，數(shù)據(jù)速率由微控制器配置的 SPI 接口決定，數(shù)據(jù)在微控制器中低速處理，但在 nRF905 中高速發(fā)送，因此中間有很長時間的空閑，這很有利于節(jié)能 。 由于 nRF905 工作于 ShockBurstTM模式，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。在ShockBurstTM 接收模式下，當(dāng)一個包含正確地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包被接收到后，地址匹配 (AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好 (DR)兩引腳通知微控制器。在 ShockBurstTM發(fā)送模式，nRF905 自動產(chǎn)生字頭和 CRC 校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。由以上分析可知， nRF905 的 ShockBurstTM收發(fā)模式有利于節(jié)約存儲器和微控制器資源，同時也減小了編寫程序的時間。下面具體詳細(xì)分析 nRF905 的發(fā)送流程和接收流程。 典型的 nRF905 發(fā)送流程是 【 2】 ： （ 1） 當(dāng) MCU 要發(fā)送 數(shù)據(jù)時 ，把 接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù) 通過 SPI 總線送傳給 nRF905， 在通信協(xié)議和器件配置時確定 SPI 接口速率 。 （ 2） TRX_CE 和 TX_EN 被 MCU 置高， ShockBurstTM發(fā)送 模式被 激發(fā) 。 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 17 （ 3） 在 ShockBurstTM 發(fā)送模式 中，射頻配置寄存器自動開啟并完成以下動作： 打包 數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)包和當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳 DR 被置高。 （ 4） 置高 AUTO_RETRAN， nRF905 發(fā)送 ， TRX_CE 變成低電平時停止 。 （ 5） 當(dāng) TRX_CE 變低時 ， 完成 nRF905 發(fā)送過程，進(jìn)入 待機(jī) 模式 。 典型的 nRF905 接收流程： （ 1） 當(dāng) TRX_CE 是高電平 、 TX_EN 是低電平時 ， nRF905 進(jìn)入 ShockBurstTM的 接收模式 。 （ 2） 經(jīng)過 650us 之后 ， 不斷監(jiān)測 nRF905，等待接收數(shù)據(jù) 。 （ 3） 當(dāng) 同一頻段的載波 被 nRF905 檢測到時， 置高 載波檢測引腳 CD。 （ 4） 當(dāng) 一個相匹配的地址 被 接收到 時 ， 置高 地址匹配引腳 AM。 （ 5） 當(dāng)一個正確的數(shù)據(jù)包接收完畢， nRF905 自動移去 前導(dǎo)碼 、地址和 CRC校驗(yàn)位，然后 置高 引腳 DR。 （ 6） MCU 置 TRX_CE 為低電平時 ， nRF905 進(jìn)入 待機(jī) 模式 。 （ 7） MCU 通過 SPI 口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到 MCU 內(nèi) 。 （ 8） 當(dāng) 接收完 所有的數(shù)據(jù) 時 ， nRF905 把引腳 DR 和地址匹配引腳 AM 置 為低 電平 。 （ 9） 此時 nRF905 可以進(jìn)入 ShockBurstTM接收模式、 ShockBurstTM 發(fā)送模式或 掉電 模式 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 18 節(jié)能模式 nRF905 的 節(jié)能模式包括掉電模式和待機(jī)模式。在掉電模式時， nRF905 工作電流最小，為 。 待機(jī)模式有利于減小工作電流。從待機(jī)模式到發(fā)送模式或接收模式的啟動時間較短。在待機(jī)模式時， nRF905 內(nèi)部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)。 nRF905 在待機(jī)模式下工作電流與外部晶體振蕩器頻率有關(guān)。 nRF905 的配置 nRF905 內(nèi)部有若干寄存器，這些寄存器必須經(jīng)過適當(dāng)配置，才能使其正常工作。這些寄存器的配置字都是通過 nRF905 內(nèi)部的 SPI 接口傳送的。 SPI 接口的工作可通過 SPI 指令執(zhí)行。只有當(dāng) nRF905 處于掉電或待機(jī)模式 時， nRF905 的 SPI接口才可以進(jìn)入工作狀態(tài)。 nRF905 內(nèi)部 的 SPI 接口連接有 5 個寄存器，分別是狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器（ TX_ADDRESS）、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器（ TX_PAYLOAD）和接收數(shù)據(jù)寄存器（ RX_PAYLOAD）。 nRF905 的 SPI 接口有一 組指令用來對 nRF905 內(nèi)部 的各寄存器進(jìn)行配置。只有在 SPI 的片選引腳 CSN 為低時， nRF905 才能 接收一條 SPI 指令，當(dāng)引腳 CSN 發(fā)生由高到低的跳變時， nRF905 才開始接收 一條新的 SPI 指令。 nRF905 硬件電路 在 nRF905 的使用中 ，根據(jù)不同要求，其電路圖不盡相同，圖 為 50Ω 單端天線輸出的應(yīng)用原理圖。該電路的輸出，通過一個差分到單端的匹配網(wǎng)絡(luò)連接到50Ω 的單端天線 。在電路中，電感電容的值是使電路工作在 433MHz 的數(shù)據(jù)。 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 19 圖 nRF905 應(yīng)用電路圖 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 20 7 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) nRF905 無線收發(fā)模塊 PTR8000 無線收發(fā)模塊是一款以 nRF905 為核心的無線收發(fā)模塊，體積小，使用方便。此模塊通過一個 14 引腳的插針為用戶提供一個方便的接口， 各引腳功能如圖 所示。此接口與單片機(jī)相連，組成使用的無線數(shù)傳系統(tǒng)這些引腳功能分為3 組。 模式控制信號。 PTR8000 工作模式由 TRX_CE,TX_EN， PWR_UP 來設(shè)置。 SPI 接口信號。由 SCK,MISO,MOSI 和 CSN 信號線組成。在配置模式時，單片機(jī)通過 SPI 接口配置 PTR8000 的工作寄存器；在發(fā)射 /接收模式下，單片機(jī)通過SPI 接口發(fā)送和接收。 狀態(tài)輸出信號。在發(fā)送模式下，地址匹配（ AM）和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒（ DR）信號通知單片機(jī)，一個有效地地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)接收完成。在發(fā)送模式下， PTR8000自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼 和 CRC 碼， DR 信號通知單片機(jī)數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)完成。 PTR8000 中uCLK 引 線就是 nRF905 芯片中的引腳 uPCLK 時鐘輸出。 圖 無線收發(fā)模塊用戶接口 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 21 系統(tǒng)的硬件電路圖 本系統(tǒng)由兩套 PTR8000 無線收發(fā)模塊組成。在發(fā)送的模塊上增加了一片DS18B20 數(shù)字溫度傳感器。由于 nRF905 工作電壓在 3V 左右，所以加上 AMS1117穩(wěn)壓芯片使模塊輸入電壓穩(wěn)定在 。如圖 所示。 圖 發(fā)送部分電路原理圖 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 22 在接收的一套模塊上增加了一片由 MAX232 組成的 RS232 串口接口電路，通過此電路與上位機(jī)相連。圖 為該部分原理圖。 圖 接收部分電路原理圖 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 23 8 系統(tǒng)軟件設(shè)計 前幾章完成了該系統(tǒng)的硬件設(shè)計，本章將在前幾章硬件基礎(chǔ)上完成相應(yīng)的軟件設(shè)計，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能 。 系統(tǒng)軟件 是在 KEIL 開發(fā)環(huán)境下 采用 C51 語言編寫，整個系統(tǒng)軟件由初始化模塊程序、 溫度采集、發(fā)送、接收程序 、 上位機(jī)顯示程序 等構(gòu)成。 單片機(jī)編程 兩套模塊中，一套用于溫度采集，并將溫度數(shù)據(jù)通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送，另一套負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并通過串口將數(shù)據(jù)送入上位機(jī)處理。發(fā)送和接收部分的程序流程圖分別如圖 （ a）和 （ b）所示。 （ a）發(fā)送流程 （ b）接收流程 圖 系統(tǒng)工作流程圖 nRF905 初始化，配置射頻寄存器 DS18B20 初始化 讀溫度數(shù)據(jù) 寫發(fā)送地址和數(shù)據(jù) 發(fā)送數(shù)據(jù) 完成？ NO YES nRF905 初始化，配置射頻寄存器 等待接收數(shù)據(jù) 完成？ 發(fā)送數(shù)據(jù) 給上位機(jī) NO YES 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 24 上位機(jī)編程 MSComm 控件 是 Microsoft 提供的 ActiveX 控件，目的是簡化 Windows 下串行通信編程 。 提供兩種處理通信方式，分別是事件驅(qū)動方式和查詢方式。 在串口通信過程中，當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)、收到數(shù)據(jù)或產(chǎn)生傳輸錯誤時，觸發(fā) MSComm 控件 OnComm事件，然后通過判斷 CommEvent 屬性值獲得事件類型，根據(jù)事件類型進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。故用 MSComm 控件實(shí)現(xiàn)微機(jī)串口的數(shù)據(jù)通信相當(dāng)簡單 【 8】 。 接收部分的單片機(jī)通過串口測量數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)，上位機(jī)使用 VB 編的應(yīng)用程序來處理這些數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)顯示在上位機(jī)屏幕上供用戶查看。 VB 應(yīng)用程序界面如圖 所示。 圖 上位機(jī) VB 程序界面 程序主要包括四個部分，即溫度曲線的顯示 、溫度數(shù)值顯示、統(tǒng)計計算和四個按鈕處理程序。 實(shí)驗(yàn)后的上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)如圖 所示。 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 25 圖 上位機(jī)實(shí)驗(yàn)顯 示 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 26 9 總結(jié) 本文是大棚溫度 數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)，核心的部分就是遠(yuǎn)程傳輸溫度數(shù)據(jù) 和實(shí)時顯示溫度變化 。 最后實(shí)驗(yàn)表明此設(shè)計能穩(wěn)定、高效、直觀的顯示出溫度數(shù)據(jù)和實(shí)時變化，而且使用起來簡單方便。 本設(shè)計中存在的不足是沒有采取多點(diǎn)測量取得平均值的方法，單看一點(diǎn)的溫度也許不會精確的顯示大棚的溫度的實(shí)際情況。在上位機(jī)顯示溫度實(shí)時變化的曲線圖不夠完善，有待改進(jìn)。 基于射頻收發(fā)器 nRF905 進(jìn)行無線通信 ， 實(shí)現(xiàn)近距離微控制器的無線組網(wǎng)，進(jìn)行多個大棚溫度 數(shù)據(jù) 采集 、傳輸與顯示 ，這些都是后序可以做的項目。 本設(shè)計中， 我不僅學(xué)習(xí)了 DS18B20 單總線器件的使用、遠(yuǎn)程傳輸模塊的編程、上位機(jī)編程，同時設(shè)計了并實(shí)現(xiàn)了上述功能。 本設(shè)計能較好的測量溫度以及在上位機(jī)上顯示溫度變化和歷史溫度統(tǒng)計數(shù)據(jù)。 這是我在大學(xué)里做的最重要的一個設(shè)計，多 達(dá) 幾個月的思考、學(xué)習(xí)和制作，導(dǎo)師和同學(xué)的幫助都很大。這不僅使我學(xué)習(xí)到了硬件電路的設(shè)計，還學(xué)習(xí)了怎么樣去調(diào)試系統(tǒng) 和軟件設(shè)計 。這些都是我寶貴的經(jīng)驗(yàn)和回憶。 基于 nRF905 的無線溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計 27 致謝 此次畢業(yè)設(shè)計的制作，凝聚了我辛勤的汗水，也注入了老師和同學(xué)熱情的幫助和無私的奉獻(xiàn)。 首先，我要特別感謝我的指導(dǎo)老師 —— 趙波 老師，感謝老師給予我的大力支持和幫助。從畢業(yè)設(shè)計的選題、資料的收集、參考書目的推薦到實(shí)物的調(diào)試和完成直到最后的論文定稿， 趙 老師總是循循善誘的給我指出不足并提出中肯的改善意見。 整個畢業(yè)設(shè)計期間 趙 老師 對我孜孜不倦的教