【正文】 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(fù)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(fù)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。 (2)復(fù)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(fù)位操作，以后每個周期執(zhí)行一次，直至 RST 變低。 圖 是晶振電路原理圖。 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。在天線端采用的負載阻抗是 400Ω。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。 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。 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。 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。取數(shù)據(jù)命令發(fā)送成功后 ， 等待傳感器模塊返回信息。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)。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 。 其電器特性與 nRF2401 基本相同。 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。 ADDRESS 為接收方通道硬件地址段 ， 可設(shè)定為 8 bit~40 bit， 只有符合本機硬件地址的數(shù)據(jù)幀才會被接收 。 nRF2401 在突發(fā)模式下的幀格式見圖 ： PREAMBLE ADDRESS PAYLOAD CRC 圖 突發(fā)模式下的幀格式 nRF2401 數(shù)據(jù)幀格式 PRE2AMBLE 為數(shù)據(jù)包頭 ， 可設(shè)為 4 bit 或 8 bit。 nRF2401 狀態(tài)字： nRF2401 具有 144 位狀態(tài)字 。 （ 4） CRC：使 nRF2401 能夠生成 CRC 校驗碼和譯碼 。 nRF2401 的 4 種工作模式分別為：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機模式， 這四種模式由 PWEUP， TXEN 和 CS 三個狀態(tài)決定，如表 所示： 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –14– 表 幾種常 用無線收發(fā)芯片性能比較表 nRF401 RF2915 BCC418 XE1201A CC400 生產(chǎn)公司 Nordic RFMD Bluechip Xemics ChipCon 工作電壓 ~ ~ ~ ~ ~ 數(shù)據(jù)可否直接接單片機串口使用 可以直接接單片機串口使用，數(shù)據(jù)無需曼徹斯特編碼，可直接傳輸串口數(shù)據(jù) ,效率高 不能直接接單片機串口，需要進行曼徹斯特編碼，效率低（實際速率為標稱的 1/3） 不能直接接單片機串口，需要進行曼徹斯特 編碼，效率低（實際速率為標稱的 1/3） 不能直接接單片機串口，需要進行曼徹斯特編碼，效率低（實際速率為標稱的 1/3） 不能直接接單片機串口，需要進行曼徹斯特編碼，效率低（實際速率為標稱的 1/3） 發(fā)射電流5dBmoutput 9mA 17mA 45mA 10mA 91mA 接收電流433MHz 11mA + amp。所以 nRF2401 是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。表 給出了幾種常用無線收發(fā)芯片性能比較 ： nRF2401 無線收發(fā)一體芯片和藍牙一樣，都工作在 GHz 自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。 系統(tǒng)的上位機是由基于 LabVIEW 的遠程監(jiān)控系統(tǒng) 組成。對于數(shù)組，超限值默認為零，超限賦值默認為 nop 以表示沒有發(fā)生相應(yīng)的操作。 公式節(jié)點尤其適用于含有多個變量或較為復(fù)雜的方程 ， 以及對已有文本代碼的利用。 公式節(jié)點是一種便于在程序框圖上執(zhí)行數(shù)學運算的文本節(jié)點。使用 While 循環(huán)的條件接線端也可進行基本的錯誤處理 。如果將布爾控件的接線端放置在 While 循環(huán)的外部并且該控件被設(shè)置為 FALSE，當循環(huán)執(zhí)行時，如果條件接線端為 真 （ T） 時停止 ，則會導致無限循環(huán)。當條件接線端為 真 （ T） 時停止 時， While 循環(huán)將執(zhí)行其子程序框圖直到條件接線端接收到一個TRUE 值。 上位機由基于 LabVIEW 的遠程監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)， 在本系統(tǒng)設(shè)計中，采用了事件結(jié)構(gòu)和 While 循環(huán)結(jié)構(gòu)，用來判斷通道 號并顯示相應(yīng)的溫度示數(shù)。因此被稱為工程師和科學家的語言。 LabVIEW 的編程環(huán)境主要包括兩個面板 ： 前面板 (Panel)，用于編制虛擬儀器的軟面板 ； 程序面板 (Diagram)，用于編寫 G 語言程序代碼。 PTR20xx 的基本應(yīng)用電路如圖 所示： 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –10– 圖 PTR20xx 的基本應(yīng)用電路 在上位機監(jiān)控系統(tǒng)中采用 基于 LabVIEW 的遠程實時監(jiān)控系統(tǒng) 。 nRF2401 的最高工作速度可達到 20kbps， 發(fā)射功率可調(diào) ， 最大為 +10dBm。由于所傳送的信號只有高低電平兩個取值，即使收到的波形出現(xiàn)一定失真，仍可能解調(diào)出正確的原始信號，因此數(shù)字傳輸?shù)目垢蓴_能力強。 無線傳輸 按基帶信號的形式可以分為兩大類：模擬信號傳輸和數(shù)字傳輸。與傳統(tǒng)的無線收發(fā)射頻裝置相比，無線射頻收發(fā)一體型芯片具有電磁兼容性好、耗電量低、體 積小、外圍電路簡單、可靠性高、抗干擾能力強、數(shù)據(jù)傳輸安全性好、價格低廉等特點，在各種嵌入系統(tǒng)、家電、軍工等許多領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。現(xiàn)在有很多射頻芯片可用來完成無線數(shù)據(jù)傳輸，開發(fā)相對簡單，易于實現(xiàn)。 射頻 (Radio Frequency RF)技術(shù)使用幾個特 定頻率中的一個頻率傳輸數(shù)據(jù)，相鄰的WLAN 使用不同頻率。 HomeRF 工作組提出了一整套應(yīng)用于家庭聯(lián)網(wǎng)的完整體系，包括外圍設(shè)備和家庭主機之間的連接、外圍設(shè)備之間的連接、主機和 HomeRF 中央控制的連接等。但是還不成熟，存在一些問題需要解決。 UWB(UltraWideband Radio)是一種新技術(shù)?；鶐ф溌房刂破髫撠熖幚砘鶐f(xié)議和其它一些低層常規(guī)協(xié)議。每個話音信道支 64kb/s 同步話音鏈路。 藍牙基帶協(xié)議是電路交換與分組交換的 結(jié)合。 藍牙工作在全球通用的 ISM（即工業(yè)、科學、醫(yī)學）頻段。 CDMA 技術(shù)的原理是基于擴頻技術(shù)，即將需傳送的具有一定信號帶寬信息數(shù)據(jù)，用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，使原數(shù)據(jù)信號的帶寬被擴展，再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。最初的 IEEE 標準只是用于數(shù)據(jù)存取，傳輸速率最高只能達到 2Mbps。 短距離無線通訊標準 高速傳輸標準 50Mbps 中速傳輸標準 50Mbps~1Mb 低速傳輸標準 1Mbps UWB(Ultra Wide Band) IEEE Bluetooth IEEE ZigBee (IEEE ) 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –6– 隨著后 PC 時代的來臨， 所有的個人、家庭或企業(yè)的電器設(shè)備皆朝向可攜帶式與可通訊式設(shè)備發(fā)展，因此短距離的無線通訊標準也被制定且逐漸占有重要的地位。如對于分散測控系統(tǒng)，由于測量點比較分散，線路鋪設(shè)及維護均需較高的代價 ； 對于運動構(gòu)件上的傳感器信號的采集，由于傳感器空間位置不固定，使得通過電纜引出信號變得不可靠、甚至不可能在環(huán)境惡劣、危險性大、對人體有危害的場合，操作者希望可以遠離被測控對象，進行數(shù)據(jù)的采集和控制。利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)覆蓋率高、傳輸特性基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –5– 好等優(yōu)勢，為現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供一種便捷的無線數(shù)據(jù)傳輸方式，代表著工業(yè)控制及現(xiàn)場監(jiān)測等領(lǐng)域的一個發(fā)展方向。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠程通信手段主要分為有線通信和無線通信兩大類，有線通信主要基于局域網(wǎng)技術(shù)、嵌入式技術(shù)、電力線載波技術(shù)、公用電話網(wǎng)無線通信以往則主要用數(shù)字電臺進行遠距離傳輸。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是利用計算機、通信、測控等技術(shù)采集、記錄和顯示現(xiàn)場的各種物理參量，以供管理人員和現(xiàn)場操作者參考的系統(tǒng)是現(xiàn)代測控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，用于獲取各種現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)。遠程無線傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)有兩種方式 ： 一是遠端主控中心的終端和現(xiàn)場的終端通過收發(fā)短消息的方式完成信令的控制和數(shù)據(jù)的傳輸 ； 二是各個終端通過網(wǎng)絡(luò)登陸網(wǎng)，實現(xiàn)與主控中心之間的數(shù)據(jù)通信。 無線移動通訊標準 第一代無線移動通訊標準 第二代無線移動通訊標準 第二．五代無線移動通訊標準 第三代無線移動通訊標準 AMPS TACS ETA CS NAMTS GSM CDMA GPRS EDGE CDMA20xx CDMA20 WCDM TDSCDMA 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –4– （ 2） 第二代（ 2G）無線移動通訊標準 第二代無線移動通訊標準采用數(shù)位式通訊技術(shù)，將傳輸?shù)恼Z音與數(shù)據(jù)以數(shù)位方式加以編碼與調(diào)變，其主要的功能仍為提供語音移動通訊的需求。進入 20 世紀 70年代后個人無線行動通訊技術(shù)開始被建立與發(fā)展，也使得無線通訊技術(shù)進入了一個嶄新的紀元藍牙。 基于 nRF2401的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng) –3– 2 現(xiàn)有無線通信 系統(tǒng) 無線通信技術(shù)的發(fā)展 無 線通訊技術(shù)的萌芽可以追溯到有線通訊系統(tǒng)。 LabVIEW(Laboratory Virtual I