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

　　

【正文】 40 bit， 只有符合本機硬件地址的數(shù)據(jù)幀才會被接收 。CRC 為數(shù)據(jù)校驗段 ， 可設(shè)定 8 bit 或 16 bit 校驗位 。 PLYLOAD 段為待發(fā)送數(shù)據(jù)段 ， 長度為幀長度減去 ADDRESS 段和 CRC 段的長度 .發(fā)送數(shù)據(jù)時 ， 控制器將數(shù)據(jù)寫 入 nRF2401，控制其將數(shù)據(jù)按幀格式打包無線發(fā)送 ； 接收數(shù)據(jù)時 ， nRF2401 一旦檢測到符合本機硬件地址的數(shù)據(jù)幀 。 便將數(shù)據(jù)幀解包 ， DR 信號置 1 提醒控制器讀取數(shù)據(jù) 。 基于 PTR20xx 無線通信數(shù)傳 系統(tǒng) 在本文所述的系統(tǒng)設(shè)計中，在無線部分，本文使用了 PTR20xx 模塊，它是基于nRF401 的無線通信數(shù)傳 系統(tǒng) ，實際上，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線收發(fā)一體芯片 nRF2401 無線數(shù)傳通信模塊， PTR20xx 的實質(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、高速率的無線收發(fā)數(shù)據(jù)傳輸 MODEM。 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –17– 該 系統(tǒng) 具有如下的特性 ： ? 接收發(fā)射合一 ； ? 工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段 433MHz； ? FSK 調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合 ； ? 采用 DDS+PLL 頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好 ； ? 靈敏度高，達到 105dBm； ? 最大發(fā)射功率 +10dBm； ? 低工作電壓（ ），功耗小，待機狀態(tài)僅為 8? A； ? 具有兩個頻道，特別滿足需要多信道工作的特殊場合 ； ? 工作速率最高可達 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，也可以接計算機 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，使用無需申請許可證 ； ? 標準 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 待機微功耗狀態(tài) ； Pin7： TXEN， 發(fā)射接收控制， TXEN=1 時為發(fā)射狀態(tài)， TXEN=0 時為接收狀態(tài)。 Top View 1 VCC 2 CS 3 DO 4 DI 5 GND 6 PWR 7 TXEN 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –18– 圖 PTR20xx 無線通信模塊引腳排列圖 本設(shè)計中的 PTR20xx 與 PC 機以及單片機的電路如圖 ， 圖 所示 圖 PTR20xxPC 電路圖 圖 PTR20xx89S51 電路圖 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –19– 芯片 從休眠狀態(tài)到接收狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時間為 3ms， 所以處于接收狀態(tài)的時間不能小于3ms。因為 nRF2401 處于接收狀態(tài) ， 并且空中無有效信號時 ， 會有雜波信號干擾 ， 所以正常喚醒至少需要收到兩個字節(jié)的喚醒碼。系統(tǒng)使用 9600 的波特率 ， 發(fā)送兩個字節(jié) ，加上起始位和停止位大致需要的時間為 。把 PWR UP 置高時間設(shè)置為 10ms， 即把處于接收狀態(tài)的時間設(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)的時間為 10ms。系統(tǒng)使用 0xFF 作為喚醒碼 ， nRF401連續(xù)收到兩個 0xFF 即保持接收狀態(tài) ， 此時計數(shù)器開始工作。如果兩個周期內(nèi)沒有收到有效的數(shù)據(jù)幀頭 ， 則視為雜波干擾 ， 重新進入休眠狀態(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 ， 與自身的 ID 號對比 ， 如果與自身 ID 號不相符 ， 則重新進入節(jié)電狀態(tài)。如果與自身ID 號相符合 ， 通過串口 0 向傳感器模塊發(fā)送取數(shù)據(jù)命令 ， 同時啟動定時器判斷系統(tǒng)是否超時 ； 如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有返回數(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 ， 進入出錯處理程序 ， 向上位機發(fā)送錯誤信息 ， 等待上位機處理命令。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)議對數(shù)據(jù)進行分析。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 ,通過串口 1 把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。 nRF401 靈敏度 比較高 ， 在沒有進行數(shù)據(jù)傳輸時 ， 它的數(shù)據(jù)輸出腳會有干擾信號產(chǎn)生的雜波輸出 ， 為了避免這種情況發(fā)生 ， 要在每個數(shù)據(jù)幀的前面加上幀頭 0x55， 加上起始位和停止位后 ， 實際發(fā)送的是 0101010101。 在實際運行過程中 ， 干擾信號產(chǎn)生兩個連續(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 ID 等信息 ， 上位機接收到信息后 ， 會把收到的數(shù)據(jù)校驗 ， 如果與接收到的校驗字節(jié)不相同 ， 則向數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)發(fā)送錯誤信息。數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)收到錯誤信息后 ， 會重新發(fā)送數(shù)據(jù)。如果數(shù)據(jù)接收正確 ，上位機返回正確確認 信息。 系統(tǒng)控制軟件采集功能包括系統(tǒng)運行狀態(tài)的控制及采樣數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示和存儲。數(shù)據(jù)進入計算機可以通過并行口、串行口及 USB 等設(shè)備接口?；? RS232 協(xié)議的串行口是 PC 的標準接口，且其硬件簡單、易于操作，而成為單片機應(yīng)用系統(tǒng)與 PC 機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)字信號進入 COM 口前應(yīng)進行電平的轉(zhuǎn)換。采集軟件的設(shè)計應(yīng)在滿足用戶控制采集過程要求的前提下，盡量使操作方便，界面簡潔。軟件除了具有對采集過程的控制功能外，還應(yīng)能實時顯示接收的數(shù)據(jù)曲 線，從而使數(shù)據(jù)采集過程可視化。 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –20– 由于采集端的數(shù)據(jù)是以二進制方式發(fā)送的，所以程序在讀 COM口時必須以 “ Binary”方式操作，否則將得到一堆亂碼。在數(shù)據(jù)的存儲方面，軟件至少應(yīng)提供二進制、純文本兩種文件格式，以方便數(shù)據(jù)導入到其它數(shù)據(jù)處理軟件中進行各種分析。 天線的設(shè)計 天線是無線傳輸設(shè)備的出入窗口，其性能設(shè)計至關(guān)重要。 ANT1 和 ANT2 是 nRF2401接收時天線的輸入以及發(fā)送時功率放大器的輸出。連接 nRF2401 的天線是以差分方式連接到 nRF2401 的。在天線端采用的負載阻抗是 400Ω。圖 為差分方式 天線應(yīng)用設(shè)計圖。 功率放大器輸出的是兩個開路輸出三極管，配置成差分配對方式，功率放大器的VDD 必須通過集電極。由于采用差分環(huán)形天線， VDD 必須通過環(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，是其最大可達到 +l0dBm。 圖 差分方式天線應(yīng)用設(shè)計 元器件參數(shù) 電路中的元器件參數(shù)如下表 所示： 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –21– 表 nRF2401 元器件參數(shù) 元件 名稱 說明 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的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –22– 5 系統(tǒng)下位機的設(shè)計 硬件的設(shè)計 基本單元設(shè)計 本系統(tǒng)中選用 ATMEL (愛特梅爾 )公司 的低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機AT89S51。 此處為一最小系統(tǒng)，即指單片機能夠工作所必需的外部電路，包括晶振電路、復位電路，在某些系統(tǒng)中可能根據(jù)需要而使用外部程序存儲器以及外部數(shù)據(jù)存儲器，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，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 ， 時鐘頻率為 4MHz 晶振 。 (2)復位電路 在單片機系統(tǒng)中，當振蕩器處于運行狀態(tài)時，如果在單片機的 /RST 引腳保持 2 個時鐘周期的 (24 個振蕩周期 )高電平，則單片機執(zhí)行復位操作，以后每個周期執(zhí)行一次，直至 RST 變低。復位后單片機從程序存儲器的地址 0000H 開始運行。 圖 、圖 分別為上電復位和上電開關(guān)電路的原理圖。 上電復位電平保持時間由電阻和電容值決定， 即 T=RC。 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –23– 圖 晶振電路原理圖 圖 上電復位電路原理圖 ATMEL 89S51 XTAL2 XTAL1 VSS C1 C2 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –24– 圖 上電開關(guān)復位電路原理圖 圖 AT89S51 最小系統(tǒng) 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –25– 數(shù)碼管顯示電路的設(shè)計 本設(shè)計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