【導(dǎo)讀】近年來(lái)隨著科技的飛速發(fā)展，遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)代生活中不斷成熟和完善。個(gè)系統(tǒng)建立在無(wú)線收發(fā)模塊PTR20xx的基礎(chǔ)之上。它是超小型，超低功耗，高速率無(wú)。監(jiān)控和機(jī)器人控制中。下位機(jī)控制系統(tǒng)和LabVIEW的上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成的遠(yuǎn)程無(wú)線溫度巡檢系統(tǒng)。信號(hào)傳輸?shù)綌?shù)碼管顯示電路，同時(shí)，單片機(jī)將信號(hào)傳輸給無(wú)線傳輸模塊PTR20xx。綜上所述，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)提出了一種簡(jiǎn)單，高效并且能夠被廣泛

　　

【正文】 40 bit， 只有符合本機(jī)硬件地址的數(shù)據(jù)幀才會(huì)被接收 。CRC 為數(shù)據(jù)校驗(yàn)段 ， 可設(shè)定 8 bit 或 16 bit 校驗(yàn)位 。 PLYLOAD 段為待發(fā)送數(shù)據(jù)段 ， 長(zhǎng)度為幀長(zhǎng)度減去 ADDRESS 段和 CRC 段的長(zhǎng)度 .發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí) ， 控制器將數(shù)據(jù)寫(xiě) 入 nRF2401，控制其將數(shù)據(jù)按幀格式打包無(wú)線發(fā)送 ； 接收數(shù)據(jù)時(shí) ， nRF2401 一旦檢測(cè)到符合本機(jī)硬件地址的數(shù)據(jù)幀 。 便將數(shù)據(jù)幀解包 ， DR 信號(hào)置 1 提醒控制器讀取數(shù)據(jù) 。 基于 PTR20xx 無(wú)線通信數(shù)傳 系統(tǒng) 在本文所述的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在無(wú)線部分，本文使用了 PTR20xx 模塊，它是基于nRF401 的無(wú)線通信數(shù)傳 系統(tǒng) ，實(shí)際上，其電路結(jié)構(gòu)即是前述的 nRF2401 的典型電路。 PTR20xx 是基于瑞典的北歐集成電路公司推出的無(wú)線收發(fā)一體芯片 nRF2401 無(wú)線數(shù)傳通信模塊， PTR20xx 的實(shí)質(zhì)是將 nRF401 芯片和其外 圍器件作在一塊 PCB 電路板上， 受益于 nRF401 較少的外圍器件， PTR20xx 的物理尺寸僅為 40mm 27mm 5mm。 nRF401 的卓越性能使得 PTR20xx 成為超小型、超低功耗、高速率的無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)傳輸 MODEM。 基于 nRF2401的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng) –17– 該 系統(tǒng) 具有如下的特性 ： ? 接收發(fā)射合一 ； ? 工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段 433MHz； ? FSK 調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合 ； ? 采用 DDS+PLL 頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好 ； ? 靈敏度高，達(dá)到 105dBm； ? 最大發(fā)射功率 +10dBm； ? 低工作電壓（ ），功耗小，待機(jī)狀態(tài)僅為 8? A； ? 具有兩個(gè)頻道，特別滿足需要多信道工作的特殊場(chǎng)合 ； ? 工作速率最高可達(dá) 20Kbit/s(可在較低速率下工作如 9600bps)； ? 超小體積約 40mm 27mm 5mm； ? 可直接接 CPU 串口使用，也可以接計(jì)算機(jī) RS232 接口，軟件編程非常方便 ； ? 由于采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無(wú)需申請(qǐng)?jiān)S可證 ； ? 標(biāo)準(zhǔn) DIP 引腳間距，更適合嵌入式設(shè)備。 其電器特性與 nRF2401 基本相同。 圖 描述了 PTR20xx 無(wú)線通信模塊的引腳排列，引腳功能如下： Pin1： VCC， 正電源 ， 接 至 ； Pin2： CS， 頻道選擇 ； Pin3： DO， 數(shù)據(jù)輸出 ； Pin4： DI， 數(shù)據(jù)輸入 ； Pin5： GND，電源地 ； Pin6： PWR， 節(jié)能控制， PWR=1 正常工作狀態(tài)， PWR=0 待機(jī)微功耗狀態(tài) ； Pin7： TXEN， 發(fā)射接收控制， TXEN=1 時(shí)為發(fā)射狀態(tài)， TXEN=0 時(shí)為接收狀態(tài)。 Top View 1 VCC 2 CS 3 DO 4 DI 5 GND 6 PWR 7 TXEN 基于 nRF2401的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng) –18– 圖 PTR20xx 無(wú)線通信模塊引腳排列圖 本設(shè)計(jì)中的 PTR20xx 與 PC 機(jī)以及單片機(jī)的電路如圖 ， 圖 所示 圖 PTR20xxPC 電路圖 圖 PTR20xx89S51 電路圖 基于 nRF2401的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng) –19– 芯片 從休眠狀態(tài)到接收狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間為 3ms， 所以處于接收狀態(tài)的時(shí)間不能小于3ms。因?yàn)?nRF2401 處于接收狀態(tài) ， 并且空中無(wú)有效信號(hào)時(shí) ， 會(huì)有雜波信號(hào)干擾 ， 所以正常喚醒至少需要收到兩個(gè)字節(jié)的喚醒碼。系統(tǒng)使用 9600 的波特率 ， 發(fā)送兩個(gè)字節(jié) ，加上起始位和停止位大致需要的時(shí)間為 。把 PWR UP 置高時(shí)間設(shè)置為 10ms， 即把處于接收狀態(tài)的時(shí)間設(shè)置為 10ms， 確保數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)能被喚醒。系統(tǒng)間歇周期為 1s，即在 1s 內(nèi) ， nRF401 處于接收狀態(tài)的時(shí)間為 10ms。系統(tǒng)使用 0xFF 作為喚醒碼 ， nRF401連續(xù)收到兩個(gè) 0xFF 即保持接收狀態(tài) ， 此時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作。如果兩個(gè)周期內(nèi)沒(méi)有收到有效的數(shù)據(jù)幀頭 ， 則視為雜波干擾 ， 重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。這樣設(shè)置 ， 系統(tǒng)的平均工作電流可在 300? A 以下 ， 兩節(jié) AA 電池可工作半年左右。 發(fā)送接收程序是數(shù)據(jù)傳送的主要部分 ， 在判斷到有效的數(shù)據(jù)幀頭后 ， 從中 提取 ID號(hào) ， 與自身的 ID 號(hào)對(duì)比 ， 如果與自身 ID 號(hào)不相符 ， 則重新進(jìn)入節(jié)電狀態(tài)。如果與自身ID 號(hào)相符合 ， 通過(guò)串口 0 向傳感器模塊發(fā)送取數(shù)據(jù)命令 ， 同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器判斷系統(tǒng)是否超時(shí) ； 如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有返回?cái)?shù)據(jù) ， 則重新向模塊發(fā)送取數(shù)據(jù)命令 ； 如果連續(xù)5 次取數(shù)據(jù)不成功 ， 進(jìn)入出錯(cuò)處理程序 ， 向上位機(jī)發(fā)送錯(cuò)誤信息 ， 等待上位機(jī)處理命令。取數(shù)據(jù)命令發(fā)送成功后 ， 等待傳感器模塊返回信息。接受到信息后 ， 按照既定的協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。如果數(shù)據(jù)不正確 ,重新向傳感器模塊發(fā)送取數(shù)據(jù)命令 ； 如果數(shù)據(jù)正確 ,通過(guò)串口 1 把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。 nRF401 靈敏度 比較高 ， 在沒(méi)有進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí) ， 它的數(shù)據(jù)輸出腳會(huì)有干擾信號(hào)產(chǎn)生的雜波輸出 ， 為了避免這種情況發(fā)生 ， 要在每個(gè)數(shù)據(jù)幀的前面加上幀頭 0x55， 加上起始位和停止位后 ， 實(shí)際發(fā)送的是 0101010101。 在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中 ， 干擾信號(hào)產(chǎn)生兩個(gè)連續(xù) 0x55 的幾率非常小 ， 這樣處理可以確保數(shù)據(jù)傳輸正確。除此之外 ， 還要在信息中加上信息類型 、 本機(jī) ID 等信息 ， 上位機(jī)接收到信息后 ， 會(huì)把收到的數(shù)據(jù)校驗(yàn) ， 如果與接收到的校驗(yàn)字節(jié)不相同 ， 則向數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)發(fā)送錯(cuò)誤信息。數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)收到錯(cuò)誤信息后 ， 會(huì)重新發(fā)送數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)接收正確 ，上位機(jī)返回正確確認(rèn) 信息。 系統(tǒng)控制軟件采集功能包括系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的控制及采樣數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示和存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)進(jìn)入計(jì)算機(jī)可以通過(guò)并行口、串行口及 USB 等設(shè)備接口?；? RS232 協(xié)議的串行口是 PC 的標(biāo)準(zhǔn)接口，且其硬件簡(jiǎn)單、易于操作，而成為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)與 PC 機(jī)短距離通訊的理想選擇。由于 RS232 協(xié)議采用的電平是 177。 12V，因此在 TTL 電平的數(shù)字信號(hào)進(jìn)入 COM 口前應(yīng)進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。采集軟件的設(shè)計(jì)應(yīng)在滿足用戶控制采集過(guò)程要求的前提下，盡量使操作方便，界面簡(jiǎn)潔。軟件除了具有對(duì)采集過(guò)程的控制功能外，還應(yīng)能實(shí)時(shí)顯示接收的數(shù)據(jù)曲 線，從而使數(shù)據(jù)采集過(guò)程可視化。 基于 nRF2401的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng) –20– 由于采集端的數(shù)據(jù)是以二進(jìn)制方式發(fā)送的，所以程序在讀 COM口時(shí)必須以 “ Binary”方式操作，否則將得到一堆亂碼。在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)方面，軟件至少應(yīng)提供二進(jìn)制、純文本兩種文件格式，以方便數(shù)據(jù)導(dǎo)入到其它數(shù)據(jù)處理軟件中進(jìn)行各種分析。 天線的設(shè)計(jì) 天線是無(wú)線傳輸設(shè)備的出入窗口，其性能設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 ANT1 和 ANT2 是 nRF2401接收時(shí)天線的輸入以及發(fā)送時(shí)功率放大器的輸出。連接 nRF2401 的天線是以差分方式連接到 nRF2401 的。在天線端采用的負(fù)載阻抗是 400Ω。圖 為差分方式 天線應(yīng)用設(shè)計(jì)圖。 功率放大器輸出的是兩個(gè)開(kāi)路輸出三極管，配置成差分配對(duì)方式，功率放大器的VDD 必須通過(guò)集電極。由于采用差分環(huán)形天線， VDD 必須通過(guò)環(huán)形天線的中心輸入，調(diào)整圖中 RF 偏壓電阻 R3 可以調(diào)節(jié)輸出發(fā)射功率，是其最大可達(dá)到 +l0dBm。 圖 差分方式天線應(yīng)用設(shè)計(jì) 元器件參數(shù) 電路中的元器件參數(shù)如下表 所示： 基于 nRF2401的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng) –21– 表 nRF2401 元器件參數(shù) 元件 名稱 說(shuō)明 封裝 數(shù)值 單位 C1 NP0 ceramic chip capacitor, (Crystal oscillator) 0603 22 pF C2 NP0 ceramic chip capacitor, (Crystal oscillator) 0603 22 pF C3 X7R ceramic chip capacitor, (PLL loop filter) 0603 820 pF C4 X7R ceramic chip capacitor, (PLL loop filter) 0603 15 nF C5 X7R ceramic chip capacitor, (Supply decoupling) 1206 uF C6 X7R ceramic chip capacitor, (Supply decoupling) 0603 100 nF C7 X7R ceramic chip capacitor, (Supply decoupling) 0603 1 nF C8 NP0 Ceramic chip capacitor, (Supply decoupling) 0603 100 pF C9 NP0 ceramic chip capacitor, (Supply decoupling) 0603 100 pF C10 NP0 ceramic chip capacitor, (Antenna tuning) 0603 pF C11 NP0 ceramic chip capacitor, (Antenna tuning) 0603 0603 pF L1 VCO inductor, Q45 @ 433 MHz 0603 22 nH R1 chip resistor, (Crystal oscillator) 0603 0603 MΩ R2 chip resistor, (PLL loop filter) 0603 KΩ R3 chip resistor, (Transmitter power setting) 0603 22 KΩ R4 chip resistor, (Antenna Q reduction) 0603 18 KΩ X1 Crystal MHz 基于 nRF2401的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng) –22– 5 系統(tǒng)下位機(jī)的設(shè)計(jì) 硬件的設(shè)計(jì) 基本單元設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中選用 ATMEL (愛(ài)特梅爾 )公司 的低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)AT89S51。 此處為一最小系統(tǒng)，即指單片機(jī)能夠工作所必需的外部電路，包括晶振電路、復(fù)位電路，在某些系統(tǒng)中可能根據(jù)需要而使用外部程序存儲(chǔ)器以及外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，本系統(tǒng)僅使用內(nèi)部 RAM 和內(nèi)部 ROM。 (1)晶振電路 AT89S51[6]內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益的反向放大器，引腳 XTAL1 和XTAL2 分別是此放大器的輸入端和輸出端。該放大器與作為反饋元件的晶振構(gòu)成一個(gè)自激振蕩器。 圖 是晶振電路原理圖。 外接晶體以及電容 C1 和 C2 構(gòu)成并聯(lián)諧振電路接在放大器的反饋回 路中，晶振應(yīng)盡量靠近單片機(jī)，以減少寄生電容，提高晶振穩(wěn)定性。 本系統(tǒng)中晶振頻率采用 ， C1 和 C2 分別 采用 22/30pF。 本系統(tǒng)中 ， 時(shí)鐘頻率為 4MHz 晶振 。 (2)復(fù)位電路 在單片機(jī)系統(tǒng)中，當(dāng)振蕩器處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，如果在單片機(jī)的 /RST 引腳保持 2 個(gè)時(shí)鐘周期的 (24 個(gè)振蕩周期 )高電平，則單片機(jī)執(zhí)行復(fù)位操作，以后每個(gè)周期執(zhí)行一次，直至 RST 變低。復(fù)位后單片機(jī)從程序存儲(chǔ)器的地址 0000H 開(kāi)始運(yùn)行。 圖 、圖 分別為上電復(fù)位和上電開(kāi)關(guān)電路的原理圖。 上電復(fù)位電平保持時(shí)間由電阻和電容值決定， 即 T=RC。 基于 nRF2401的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng) –23– 圖 晶振電路原理圖 圖 上電復(fù)位電路原理圖 ATMEL 89S51 XTAL2 XTAL1 VSS C1 C2 基于 nRF2401的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng) –24– 圖 上電開(kāi)關(guān)復(fù)位電路原理圖 圖 AT89S51 最小系統(tǒng) 基于 nRF2401的遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng) –25– 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)中采用四位共陰極數(shù)碼管顯示，原理圖如圖 所示：顯示共有四位，用動(dòng)態(tài)顯示，八位位碼和四位段碼由兩片 74HC374 輸出，位碼經(jīng) ULN20xx 倒相驅(qū)動(dòng)后選擇相應(yīng)顯示位。 8 位段碼輸出地址為 0X004H,位碼輸出地址為 0X002H，此處的 X 是由片選 CS 決定的。電路原理圖如圖 所示： 圖 數(shù)碼管顯示原理圖 七段數(shù)碼管字形代碼表 如表 所示 ： 表 七段數(shù)碼管字形代碼表 顯示字形 g f e d c b a 段碼 0 0 1 1 1 1 1 1 3fh 1 0 0 0 0 1 1 0 06h 2 1 0 1 1 0 1 1 5bh 3 1 0 0 1 1 1 1 4fh 4 1 1 0 0 1 1 0 66h 5 1 1 0 1 1 0 1 6dh 6 1 1 1 1 1 0 1 7dh 7 0 0 0 0