【正文】 為物理層，由nRF401模塊硬件實(shí)現(xiàn)；第二層為數(shù)據(jù)鏈路層；第三層為應(yīng)用層。數(shù)據(jù)鏈路層的功能是提供可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將應(yīng)用層發(fā)來的比較長(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀拆分為短的數(shù)據(jù)幀，并加上包頭和校驗(yàn)和，重新打包后發(fā)送出去；接收數(shù)據(jù)時(shí)，將接收到的數(shù)據(jù)解包并重新組合成完整的長(zhǎng)數(shù)據(jù)，移交給應(yīng)用層。數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀格式為：0X55 0X55　 標(biāo)識(shí) 數(shù)據(jù) 　 校驗(yàn)位每幀包括兩個(gè)字節(jié)的起始幀頭0x55，２個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)和1位校驗(yàn)位。無線通訊容易受到干擾，一次發(fā)送的數(shù)據(jù)越長(zhǎng)，受干擾的可能性越大。本系統(tǒng)每個(gè)數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為２個(gè)字節(jié)，原始數(shù)據(jù)不足時(shí)用0 補(bǔ)足。因?yàn)閚RF401是高靈敏度的，在沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，它的數(shù)據(jù)輸出腳會(huì)有雜波輸出。 這些雜波會(huì)被單片機(jī)的串口接收并處理。當(dāng)一個(gè)有效數(shù)據(jù)幀頭到達(dá)時(shí)，串口可能正采樣到一個(gè)字節(jié)的中部， 因?yàn)闄z測(cè)到起始位對(duì)于正確讀取其后的數(shù)據(jù)是相當(dāng)重要的，在每個(gè)數(shù)據(jù)幀之前要先發(fā)幾個(gè)字節(jié)的同步碼以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步，四個(gè)字節(jié)的0xcc加一個(gè)字節(jié)的0xf0就可以確保在有效數(shù)據(jù)幀到達(dá)前雙方通訊實(shí)現(xiàn)同步, 為了區(qū)分干擾雜波與有效數(shù)據(jù)，需要數(shù)據(jù)幀加上幀頭， 因?yàn)楦蓴_雜波基本是隨機(jī)的，如果使用一個(gè)字節(jié)的幀頭，則可能無法區(qū)分干擾和有效數(shù)據(jù)， 因此本系統(tǒng)協(xié)議使用兩個(gè)字節(jié)的幀頭， 為兩個(gè)0x55 加上起始位和停止位, ，可以確保有效數(shù)據(jù)的確認(rèn)。在2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)之后是校驗(yàn)位,使用奇偶校驗(yàn)可以有效提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，接收方同樣計(jì)算２個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)結(jié)果后與校驗(yàn)位比較，如果不同，即為傳輸中出現(xiàn)錯(cuò)誤，接收方要求重發(fā)數(shù)據(jù)。如果全部數(shù)據(jù)正常接收，則發(fā)回正確接收確認(rèn)。 低功耗設(shè)計(jì) nRF401在很多的時(shí)候用在便攜及移動(dòng)式設(shè)備，在這種應(yīng)用中需要盡可能長(zhǎng)時(shí)間工作，考慮到電池的能耗，往往需要考慮節(jié)能和低功耗設(shè)計(jì)的問題。本節(jié)說明如何通過硬件和軟件設(shè)計(jì)配合來完成低功耗設(shè)計(jì)。1．選擇合適的發(fā)射功率 發(fā)射功率越大，功耗電流越大。在滿足距離要求的前提下，通過設(shè)定R3選擇合適的發(fā)射功率。2．接受方式在NRF401的工作中，通常接收占工作的大部分時(shí)間，通過采用通信協(xié)議和可變占空比的方式，來減少平均工作電流，從而達(dá)到節(jié)點(diǎn)并延長(zhǎng)電池工作壽命的目的。3．硬件的設(shè)計(jì) 由于NRF401具有節(jié)能控制腳，這樣就更方便設(shè)計(jì)，直接用單片機(jī)的I/O來控制工作狀態(tài)即可。4．通信協(xié)議的設(shè)計(jì) 出與節(jié)能的目的NRF401平時(shí)大多數(shù)情況應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，由于無線部分的硬件不是具備自動(dòng)喚醒功能的，所以必須通過軟件方式采用合理的通信協(xié)議以保證節(jié)能的同時(shí)不丟失數(shù)據(jù)。 A．首先每次發(fā)送應(yīng)該有一個(gè)前置碼 通常采用10101010101010。，持續(xù)一個(gè)給定的周期（通?？梢允?S）這個(gè)前置碼是節(jié)能的基礎(chǔ)。 B．接受端平時(shí)可以開啟接收幾個(gè)毫秒，如果沒有收到規(guī)定的前置碼10101011010，然后關(guān)閉約1S，通過監(jiān)測(cè)前置碼而獲得同步。開關(guān)的時(shí)間也就是工作的占空比，增加前置碼的周期可以減少工作的時(shí)間從而減少平均工作電流；但這中方式會(huì)影響系統(tǒng)的反映速度。 系統(tǒng)抗串干擾軟件設(shè)計(jì)由于nRF401利用的是ISM433 MHZ頻段，且發(fā)射范圍最大可達(dá)到1000M，而其他的家用設(shè)備也可能用想近的頻率來進(jìn)行無線通信，這樣就會(huì)不可避免的產(chǎn)生干擾。另外距離相近的兩個(gè)或則多個(gè)家用智能控制中心的無線發(fā)射器如果采用一樣的發(fā)射和接受頻率也會(huì)出現(xiàn)這種情況。所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)要認(rèn)識(shí)到這些問題，進(jìn)行抗干擾的設(shè)計(jì)。 發(fā)送協(xié)議中使用唯一的標(biāo)識(shí)碼 ，這種方法就是給不同的無線接受器設(shè)計(jì)不同的標(biāo)識(shí)碼，就是說即使用相同的工作頻率，但是不同的接受和發(fā)射器發(fā)射的信號(hào)有著不同的ID，所以接受器根據(jù)傳送的協(xié)議的APP HEADER 中的ID號(hào)不同就可以進(jìn)行有選擇的接收，只有相同的ID滿足要求，才能被判斷為有用，并被解調(diào)和發(fā)送給中央控制器。一般來說32位的ID設(shè)計(jì)就可以滿足實(shí)際數(shù)量上的任何要求了。6 系統(tǒng)的調(diào)試 數(shù)字硬件電路的調(diào)試 在數(shù)字電路及單片機(jī)硬件部分調(diào)試中比較順利沒有遇到困難，對(duì)照電路原理圖及PCB圖，按電路的各部分功能一步一步測(cè)試。如果發(fā)現(xiàn)某部分出現(xiàn)問題，可以測(cè)量相應(yīng)電路節(jié)點(diǎn)的電壓大小，看其是否正常，再判斷涉及到的元件是否工作正常。 無線射頻電路的調(diào)試 在無線部分的調(diào)試中碰到了的問題，主要是nRF401的外圍元件不太匹配，PCB天線設(shè)計(jì)還不夠好。 解決辦法：重新加工制作精密電路板，通過郵購(gòu)選擇與其數(shù)據(jù)手冊(cè)一致的電感、電容、電阻等分立元件。 調(diào)試結(jié)果：無線部分工作正常，但通信距離短不是非常理想——經(jīng)實(shí)地測(cè)量在室內(nèi)傳輸距離有20幾米。 系統(tǒng)軟件調(diào)試 主要是編寫數(shù)據(jù)采集端和接收端的軟件，各個(gè)部分分別調(diào)試。在調(diào)試過程中碰到一些軟件上的問題，比如無線收發(fā)程序的收發(fā)模式轉(zhuǎn)換時(shí)序沒有嚴(yán)格按照PDF，無線通訊的誤碼率校驗(yàn)與控制。如軟件運(yùn)行與預(yù)期結(jié)果不符等，通過軟件的仔細(xì)調(diào)試（單步、觀察變量等）已基本上解決問題。 最后，雖然本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)運(yùn)行基本正常，但還需要很多的改進(jìn)。 系統(tǒng)的改進(jìn)方向 1)、本次設(shè)計(jì)的無線部分采用的是PCB環(huán)形天線，這種天線的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低廉，占用很小的空間，但是在著明顯的不足：信號(hào)接收靈敏度差，通訊距離不夠遠(yuǎn)，對(duì)通信能力產(chǎn)生了很大的影響。因此無線部分的改進(jìn)方向是： 1)、可以采用單端天線設(shè)計(jì)，經(jīng)過改進(jìn)后，無線通訊距離理論上將會(huì)提高很多，但成本也會(huì)偏高；選用標(biāo)準(zhǔn)的元器件，減少參數(shù)誤差；提高制板工藝等。 2)、數(shù)據(jù)采集端與接收終端之間加CRC校驗(yàn)來降低誤碼率。總結(jié)經(jīng)過將近三個(gè)月的學(xué)習(xí)，畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束。回看整個(gè)設(shè)計(jì)過程，雖然在設(shè)計(jì)過程中遇到過許多困難，但通過自己的不懈努力和指導(dǎo)老師的悉心指點(diǎn)，解決了大部分設(shè)計(jì)過程中碰到的各種困難，現(xiàn)已基本完成課題中的軟件設(shè)計(jì)、硬件規(guī)劃，整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行基本達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。通過這次設(shè)計(jì)，我對(duì)無線射頻收發(fā)和單片機(jī)以及相關(guān)的電子電路知識(shí)有了更深的認(rèn)識(shí)，也學(xué)到了很重要的一點(diǎn)——硬件及軟件的調(diào)試方法。在設(shè)計(jì)的過程中我對(duì)開發(fā)系統(tǒng)有了全面的了解，也學(xué)到了課堂上無法學(xué)到的東西。通過實(shí)踐我還對(duì)自己所學(xué)的各個(gè)方面的知識(shí)進(jìn)行了總結(jié)，提高了自我學(xué)習(xí)能力和獲取新知識(shí)的能力。通過對(duì)系統(tǒng)的分析、設(shè)計(jì)、編碼以及測(cè)試等各種環(huán)節(jié)使我提高了發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力，并且對(duì)問題的觀察比以前更加敏銳了，考慮問題也更加全面了。 這次的設(shè)計(jì)，不但讓我感覺到了獨(dú)立學(xué)習(xí)的能力的重要性，而且從設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)資料到元器件的市場(chǎng)采購(gòu)，更考驗(yàn)了我的實(shí)際綜合能力。因此，我覺得這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我來說是具有十分重要的意義，將是我走上社會(huì)崗位前的一次大鍛煉。我很慶幸我在這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中已經(jīng)盡心盡力，讓我學(xué)到了很多很多意想不到的東西。本課題設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)傳輸采集系統(tǒng)從系統(tǒng)的理論分析到硬件規(guī)劃及軟件的編寫設(shè)計(jì)都證明了基于無線射頻芯片nRF401的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的可行性與科學(xué)性。本課題對(duì)于其他無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用具有一定的參考價(jià)值，通過適當(dāng)改變硬件配置，以及適當(dāng)修改程序，可廣泛應(yīng)用于遙控裝置、工業(yè)控制、無線通信、電信終端、車輛安全、自動(dòng)測(cè)試、家庭自動(dòng)化、智能建筑、報(bào)警和安全系統(tǒng)等領(lǐng)域。本課題研究的項(xiàng)目也是極具發(fā)展前途的，未來將會(huì)有更多的社會(huì)人士投入到這個(gè)技術(shù)項(xiàng)目的開發(fā)研究上來。在科學(xué)技術(shù)日益發(fā)達(dá)的今天，無線射頻技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)一直走在科技的前沿，目前在工業(yè)自動(dòng)化，商業(yè)自動(dòng)化，物流控制。致謝本課題從選題到設(shè)計(jì)完成整個(gè)過程，至始至終都是在何致遠(yuǎn)副教授悉心指導(dǎo)下完成的，在查閱文獻(xiàn)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)試以及論文撰寫和修改定稿都中給予了建設(shè)性意見和指導(dǎo)，為我順利完成畢業(yè)設(shè)計(jì)付出了極大的心血，在此謹(jǐn)向他們致以最誠(chéng)摯的謝意。同時(shí)還要感謝我的同學(xué)們?cè)谶@個(gè)過程中給予我的幫助以及所有幫助過我的老師、朋友。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何面對(duì)一個(gè)問題，解決問題。本次設(shè)計(jì)對(duì)我來說收獲頗多，即豐富了我的知識(shí)面，又可以鍛煉了我獨(dú)立思考和動(dòng)手能力，更重要的是讓我學(xué)會(huì)了分析問題的方法、積累了實(shí)際應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)。但因?yàn)闀r(shí)間比較短，個(gè)人精力有限，在設(shè)計(jì)中還有很多的不足之處，衷心的希望各位老師能提出批評(píng)、建議。最后，再次向在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中提供幫助和支持我的老師、同學(xué)、家人們致謝。 羅斌參考文獻(xiàn)[1 ] 張俊謀．單片機(jī)中級(jí)教程原理與應(yīng)用[M]，北京航空航天大學(xué)出版社，2000年3月.[2] 高傳善，錢松榮，毛迪林，數(shù)據(jù)通信與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[M]，高等教育出版社，2001年4月.[3] 康華光．電子技術(shù)基礎(chǔ)(模擬部分) [M]，高等教育出版社，1999年3月.[4] 張玉興．射頻模擬電路[M]，電子工業(yè)出版社，2002年8月.[5] 何立民．單片機(jī)中級(jí)教程[M]，北京航天航空大學(xué)出版社，1990年7月.[6] 何立民．單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]，北京航天航空大學(xué)出版社，1990年7月.[7] 王新賢．通用集成電路速查手冊(cè)[M]，山東科學(xué)技術(shù)出版社，2002年7月.[8] 江思敏、姚鵬翼、胡榮, Protel電路設(shè)計(jì)教程[M], 清華大學(xué)出版社，2002年5月. 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Antennainterface is differential and suited for low cost PCB antennas. nRF401 features a standby mode which makes power saving easy and efficient. nRF401 operates from asingle +35V DC a primary application, nRF401 is intended for UHF radio equipment in pliance with the European Telemunication Standard Institute (ETSI) specification EN 300 2201 .APPLICATION INFORMATIONAntenna Input/OutputThe ANT1 and ANT2 pins provide RF input to the LNA (Low Noise Amplifier) when nRF401 is in receive mode, and RF output from the PA (Power Amplifier) when nRF401 is in transmit mode. The antenna connection to nRF401 is differential and the remended load impedance at the antenna port is 400.The output stage (PA) consists of two open collector transistors in a differential pair configuration. VDD to the PA must be supplied through the collector load. When connecting a differential loop antenna to the ANT1/ANT2 pins, VDD should be supplied through the centre of the loop antenna.The value of the capacitor connected between ANT1 and ANT2 is dependent on parasitics in the layout. pF is the optimal value when using Nordic VLSI layout and mm, 2 layer, FR4 printed circuit board, see application note AN40005.The value of the capacitor connected between ANT1 and ANT2 is depen