【導(dǎo)讀】2．建立整體框架，并畫出整體的硬件連接圖。（4月1日—4月。4．系統(tǒng)的整體實(shí)現(xiàn)和系統(tǒng)調(diào)試。5．論文整理、撰寫及答辯。3．徐愛鈞KeilCx51單片機(jī)高級(jí)語言編程與?然而，生產(chǎn)環(huán)境的多變性、不確定性，導(dǎo)致許多工作場(chǎng)所不太方便布。線，需要采用無線傳輸方式。該設(shè)計(jì)以射頻收發(fā)芯片nRF905為核心，數(shù)據(jù)采集模塊以數(shù)字式溫度傳感器DS18B20檢測(cè)。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊通過nRF905芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)處理，最后將。采集到的數(shù)據(jù)通過電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232傳到PC機(jī)。

　　

【正文】 信息收集 和 與計(jì)算機(jī)串口通信功能 的 ，具體由 通過 MAX232 與計(jì)算機(jī)的連接部分 、單片機(jī)和無線收發(fā)芯片三部分組成。下位機(jī)測(cè)量系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)量點(diǎn)的溫度測(cè)量 ， 并根據(jù)上位機(jī)的控制要求 ， 把測(cè)量點(diǎn)的信息返回給上位機(jī)控制系統(tǒng)，其具體由無線收發(fā)芯片，單片機(jī)，溫度測(cè)量設(shè)備 來完成。 上位機(jī)控制系統(tǒng)的主要組成硬件有： nRF905 無線收發(fā)芯片、 80C52 單片機(jī)、 MAX232；下位機(jī)信息采集系統(tǒng)的硬件組成有： DS18B20 數(shù)字溫度傳感器、 80C52 單片機(jī) 、 nRF905 無線收發(fā)芯片。 其整體功能原理見圖 31 與 32【 9】 。 ] 圖 31 上位機(jī)部分功能原理圖 圖 32 下位機(jī)部分功能原理圖 nRF905 單片機(jī) 80C52 MAX232 計(jì)算機(jī) PC DS18B20 DS18B20 DS18B20 單片機(jī) 80C52 nRF905 下位機(jī) 上位機(jī) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 21 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 下位機(jī)部分電路設(shè)計(jì) 在下位機(jī)系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)中，按照功能主要分為兩個(gè)模塊：溫度采集模塊和數(shù)據(jù)發(fā)送部分。溫度采集模塊完成的是溫度數(shù)據(jù)的采集，主要是 DS18B20 溫 度傳感器和單片機(jī) 80C52 的連接圖；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的功能是完成 nRF905 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的初始化和數(shù)據(jù)的發(fā)送工作，在電路設(shè)計(jì)上主要涉及 單片機(jī) 80C52 與nRF905 的連接。 溫度采集模塊 溫度采集模塊主要涉及 DS18B20 與 80C52 的連接圖，具體接口連接見圖 33【 10】 。 圖 33 溫度采集模塊接口圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊 nRF905 是利用 SPI 口實(shí)現(xiàn)與單片機(jī) 80C52 的雙向通信的，有四個(gè) SPI 接口引腳： MISO（主 SPI 輸入、從 SPI 輸出）、 MOSI（主 SPI 輸出、從 SPI 輸入）、CSN（ SPI 使能）、 SCK（ SPI 串行時(shí)鐘）與單片機(jī) 80C52 的 SPI 接口連接。nRF905 的輸入輸出信號(hào)與單片機(jī) 80C52 的其他幾個(gè) I/O 相連接。 天線在無線傳輸中具有重要作用，是收發(fā)信號(hào)的關(guān)鍵部件。 nRF905 具有很高的靈敏度，考慮到本系統(tǒng)的使用范圍及基于系統(tǒng)裝置方便攜帶放置的要求，本設(shè)計(jì)采用無增益的 PCB 天線，它能夠直接焊接在 PCB 板上，這樣可以縮小系統(tǒng)實(shí)體的尺寸。 PCB 電線在傳輸距離方面一般環(huán)境下能達(dá)到 300 米，能夠滿足系統(tǒng)短距離通信的要求。 根據(jù) 80C52 單片機(jī) 的特點(diǎn)和 nRF905 的接口設(shè)計(jì)要求 ，80C52 單片機(jī) 的 、 、 分 別和 nRF905 的 PWR_UP、 TRX_CE、TX_EN 連接實(shí)現(xiàn)對(duì) nRF905 的工作模式控制。 接 nRF905 的 CD， 由此判斷nRF905 是否檢測(cè)到載波 ； 接 nRF905 的 AM 端 ， 由此判斷發(fā)送方的發(fā)送目的地址是否與本機(jī)地址相同 ； 外部中斷 1 接 nRF905 的 DR 端 ； nRF905 的 SPI端口接單片機(jī)的 SPI 對(duì)應(yīng)端口 ， 實(shí)現(xiàn)對(duì) nRF905 的工作配置和數(shù)據(jù)傳輸 。 nRF905與單片機(jī) MSP430F449 連接如圖 34 所示。 圖 34 nRF905 與 80C52 的接腳圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 23 上位機(jī) 部分電 路設(shè)計(jì) 串口電路部分 異步工作模式 USART是進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最常用的模式，這種模式就是常說的 RS232C。它的數(shù)據(jù)格式為 1個(gè)起始位、 8個(gè)或 9個(gè)數(shù)據(jù)位、 1個(gè)停止位。在本文中我們利用 USART實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與計(jì)算機(jī)之間的串行通訊。 80C52單片機(jī)有一個(gè)全雙工的串行通訊口，所以單片機(jī)和電腦之間可以方便地進(jìn)行串口通訊。進(jìn)行串行通訊時(shí)要滿足一定的條件，比如電腦的串口是 RS232C電平的。 RS232C是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)（ EIA）正式公布的、在異步串行通信中應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)總線，它包括了按位串行傳輸?shù)碾姎夂蜋C(jī)械 方面的規(guī)定，適用于數(shù)據(jù)終端設(shè)備（ DTE）和數(shù)據(jù)通訊設(shè)備 (DCE)之間的接口。 RS232串行信息格式為 10位， 1位起始位， 1位奇偶校檢位， 1位停止位， 8 位數(shù)據(jù)位。 RS232C 的機(jī)械指標(biāo)規(guī)定： RS232C 接口通向外部的連接器是一種 “ D” 型 25針插頭，在微機(jī)通訊中，通常使用的 RS232C接口信號(hào)只有九根引腳，其引腳見圖 35。 圖 35 DB9 管腳圖 RS232總線連接距離通信： 15米以內(nèi)。適于短距離或帶調(diào)制解調(diào)器的通信場(chǎng)合。其邏輯電平對(duì)地是對(duì)稱的，與 TTL、 MOS邏輯電平完全不同。 RS232C電平是 負(fù)邏輯電平（邏輯 0：＋ 5V～＋ 15V，邏輯 1：－ 15V～－ 5V），而單片機(jī)的串口是 TTL電平的， TTL為正邏輯電平（帶負(fù)載時(shí)：邏輯 1： +5V～ +12V，邏輯 0： 5V～ 12V。不帶負(fù)載時(shí)：邏輯 1： ，邏輯 0： ），所以單片機(jī)和 PC 機(jī)進(jìn)行通信時(shí)，兩者之間必須有一個(gè)電平轉(zhuǎn)換電路。專用 RS232C電平和 TTL電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232。 MAX232封裝圖見圖 36。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 24 圖 36 MAX232 封裝圖 我們?cè)谶@里采用了三線制連接串口：計(jì)算機(jī)的 9針串口只連接其中的 3根線：第 5腳的 GND、第 2腳的 RXD、 第 3腳的 TXD。這是最簡(jiǎn)單的連接方法，但是對(duì)我們來說已經(jīng)足夠使用了。連接方法： MAX232的第 10腳和單片機(jī)的 11腳連接，第 9腳和單片機(jī)的 10腳連接。 nRF905與 PC機(jī)串口通信連接如圖 37所示。 圖 37 串口電路引腳連接圖 上位機(jī)單片機(jī)的連接引腳圖 SPI 是一種串行同步通信協(xié)議。對(duì)無線芯片的操作都是針對(duì)芯片的寄存器操作來進(jìn) 22 行的，而對(duì)寄存器的操作都是通過 SPI 口來完成的。 nRF905 的所有配置都是通過 SPI 接口進(jìn)行的， SPI 接口只有在兩種節(jié)電模式下才是激活的，才能對(duì)其進(jìn)行編程。 SPI 接口是由狀 態(tài)寄存器（ StatusRegister）、 RF 配置寄存器（ RFConfiguration Register）、發(fā)送地址（ TXAddress）、發(fā)送有效數(shù)據(jù)（ TXPayload）和接收有效數(shù)據(jù)（ RXPayload）五個(gè)寄存器組成。如果要想提取寄存器的工作內(nèi)容和分配的相關(guān)指令，則必須讓寄存器處于回讀的工作模式，利用寄存器的記憶效應(yīng)，從而分析得出結(jié)果。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 25 狀態(tài)寄存器（ StatusRegister）主要有兩種狀態(tài)，即數(shù)據(jù)就緒（ DR）狀態(tài)和地址匹配（ AM）狀態(tài)，該寄存器的主要功能為確定系統(tǒng)是否確認(rèn)進(jìn)入準(zhǔn)備階段，如數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備就緒、地址數(shù)字碼是否相吻合。 RF 配置寄存器（ RFConfiguration Register）內(nèi)部主要寄存收發(fā)單元的工作頻段、輸出工作頻段范圍等系統(tǒng)配置參數(shù)；發(fā)送地址（ TXAddress）寄存器則主要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包的目標(biāo)地址，以保證數(shù)據(jù)能夠達(dá)到正確的端口，相當(dāng)于郵件地址；發(fā)送有效數(shù)據(jù)（ TXPayload）寄存器主要用于發(fā)送的有效的數(shù)據(jù)進(jìn)行；接收有效數(shù)據(jù)（ RXPayload）寄存器主要用于將接收端接收到有效。正因?yàn)橄到y(tǒng)由不同的功能寄存器組成，數(shù)據(jù)才能正確傳送。 單片機(jī) 80C52 與 nRF90 MAX232 的接口連接見圖 38【 11】 。 圖 38 80C52 與 nRF90 MAX232 鄰接引腳圖 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 無線數(shù)據(jù)接收部分 nRF905 是利用 SPI 口實(shí)現(xiàn)與 單片機(jī) 80C52 的雙向通信的，有四個(gè) SPI 接口引腳： MISO（主 SPI 輸入、從 SPI 輸出）、 MOSI（主 SPI 輸出、從 SPI 輸入）、CSN（ SPI 使能）、 SCK（ SPI 串行時(shí)鐘）。 nRF905 針對(duì) SPI 口對(duì)其進(jìn)行的多種不同形式的操作，設(shè)置了 7 種不同的指令。 SPI 口能進(jìn)行的操作有：通過 SPI 口對(duì)射頻配置，收、發(fā)地址和數(shù)據(jù)的讀寫等。 其具體的連接圖 與下位機(jī) nRF905 與單片機(jī)的鄰接大體相同， 上位機(jī)部分 80C52 與 nRF905 的接口連接見圖 39。 圖 39 上位機(jī)數(shù)據(jù)接收模塊引腳連接圖 本章小結(jié) 本章首先介紹了系統(tǒng)的硬件電路整體設(shè)計(jì)方案，然后按照系統(tǒng)的功能劃為四個(gè)模塊 ：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)接收模塊和串口初始化模塊，并且給出每個(gè)模塊的詳細(xì)電路設(shè)計(jì)圖。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 27 第 4章 系統(tǒng) 軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的整體軟件框圖 按照 模塊化設(shè)計(jì) 的 思想，系統(tǒng)中各主要功能模塊均編成獨(dú)立的函數(shù)在主程序中加以調(diào)用，程序主要由以下功能模塊組成 ： DS18B20 的初始化及溫度采集函數(shù)、 nRF905 的初始化及射頻發(fā)射函數(shù)、射頻接收函數(shù) 。采集端和接收端在上電后首先調(diào)用初始化程序，完成無線收發(fā)頻率、工作模式、發(fā)射速率、內(nèi)部寄存器的初始化配置 ； 無線收發(fā)程序負(fù)責(zé)接收和發(fā)送經(jīng)過打包后的數(shù)據(jù) ； 數(shù)據(jù)打包程序?qū)⒉杉瘮?shù)據(jù)根據(jù)通信協(xié)議加上幀頭、地址、 CRC 校驗(yàn)字節(jié)，形成完整的數(shù)據(jù)包 ； 數(shù)據(jù)拆包程序根據(jù)通信協(xié)議將接收到的數(shù)據(jù)包去掉幀頭、地址信息、取出其中的有用數(shù)據(jù)，并檢驗(yàn)數(shù)據(jù)包中的 CRC 字節(jié)以檢驗(yàn)接收到的數(shù)據(jù)的正確性 ； 數(shù)據(jù)處理程序?qū)邮盏降挠行?shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的計(jì)算處理后將其通過串口發(fā)送到計(jì)算機(jī)，進(jìn)一步的分析和處理。 根據(jù)第三 章的硬件整體設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化、結(jié)構(gòu)化得設(shè)計(jì)方法，整個(gè)系統(tǒng)非為上位機(jī)程序設(shè)計(jì)部分和下位機(jī)程序部分，其中下位機(jī)主要包括溫度測(cè)量模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，上位機(jī)主要包括數(shù)據(jù)無線接收模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。軟件的整體設(shè)計(jì)流程如圖 41。整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分都是服務(wù)于無線數(shù)據(jù)傳輸這個(gè)目的。所以，在整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，無線數(shù)據(jù)的傳輸是最主要的部分。 軟件系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)處理過程見圖 41。 圖 41 軟件系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)處理過程 系統(tǒng)所使用的通信協(xié)議 通信協(xié) 議是通信雙方為實(shí)現(xiàn)信息交換而制定的規(guī)則。由于主接收器與數(shù)據(jù)終初始化 采集溫度信息 送 nRF905 發(fā)送數(shù)據(jù) 接收數(shù)據(jù) 數(shù) 據(jù)處理 送 PC 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 28 端之間的通信可能會(huì)受到其它數(shù)據(jù)終端或外界環(huán)境的干擾而發(fā)生錯(cuò)誤，因此，需要通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴? 本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集端和數(shù)據(jù)接收端設(shè)置成同一個(gè)通信頻率，它們之間通過地址加以區(qū)分。系統(tǒng)只由一個(gè)數(shù)據(jù)接收單元和多個(gè)數(shù)據(jù)采集單元組成，構(gòu)成了一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信關(guān)系。當(dāng)幾個(gè)數(shù)據(jù)采集端同時(shí)向數(shù)據(jù)接收端發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，將會(huì)出現(xiàn)通信沖突。為了避免這種情況出現(xiàn)，系統(tǒng)采用接收端輪詢，采集端應(yīng)答的通信方式。數(shù)據(jù)接收端依次向各個(gè)數(shù)據(jù)采集端發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令，采集模塊接收到該命令后，向接收模塊發(fā)送應(yīng)答命令，建立與接收端的通信連接，然后將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)打包發(fā)出。數(shù)據(jù)接收模塊在接收完一個(gè)采集模塊的數(shù)據(jù)或發(fā)生通訊超時(shí)后，終止與該模塊的數(shù)據(jù)通信，開始向下一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求命令 ；當(dāng)所有的數(shù)據(jù)采集模塊都與數(shù)據(jù)接收模塊有過一輪通信后，從第一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊重新開始，如此循環(huán)。這樣就保證了在任何時(shí)刻都只有一個(gè)采集模塊在與接收模塊進(jìn)行通信，整個(gè)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信過程轉(zhuǎn)化成多個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信過程，避免了數(shù)據(jù)沖突。 為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，無線通信協(xié)議還要考慮通信雙方的檢錯(cuò)、糾錯(cuò)問題。數(shù)據(jù) 發(fā)送端在打包發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在無線數(shù)據(jù)包中添加校驗(yàn)字節(jié)，本文采用CRC 校驗(yàn)。接收端在接收到數(shù)據(jù)包后檢驗(yàn)校驗(yàn)字節(jié)，若校驗(yàn)不正確，請(qǐng)求發(fā)送端重發(fā) ； 若重發(fā)達(dá)到規(guī)定的次數(shù)或出現(xiàn)通信超時(shí)，放棄當(dāng)前采集請(qǐng)求。 nRF905 只有一種協(xié)議格式，其中的前綴也就是數(shù)據(jù)頭，設(shè)備地址包括本機(jī)的地址和主接收器的地址， CRC 校驗(yàn)可進(jìn)行選 8 位或 16 位。 nRF905 的協(xié)議格式見圖 42。 圖 42 nRF905 協(xié)議格式 軟件設(shè)計(jì)主要模塊介紹 下位機(jī)部分程序設(shè)計(jì) 下位機(jī)單片機(jī)完成溫度采 集和溫度值發(fā)送功能，接收端單片機(jī)完成溫度值接收和串口通信功能。 DSl8B20獨(dú)特的單總線技術(shù)給硬件方面帶了很大的方便，而前綴 設(shè)備地址 CRC 數(shù)據(jù) 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 29 較小的硬件開銷需要相對(duì)復(fù)雜的軟件進(jìn)行補(bǔ)償，因此對(duì) DSl8B20進(jìn)行操作時(shí)，必須嚴(yán)格的保證讀寫時(shí)序。 為了順利實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，必須通過 SPI接口正確配置 nRF905的配置寄存器。上電后首先將 PWR、 TX－ EN、 TRX－ CE設(shè)置為配置模式，通過SPI接口配置把工作頻率、輸出功率、地址寬度、有效數(shù)據(jù)寬度等初始化信息寫進(jìn)配置寄存器。發(fā)送端單片機(jī)程序流程如圖 43【 12】 。 圖 43 下位機(jī)程序流程圖 溫度采集部分 DS18B20 對(duì)時(shí)序及電特性參數(shù)要求較高，必須嚴(yán)