【正文】 nRF9E5 采用 32 引腳的 QFN 封裝，引腳分配圖如下： P 011P 022P 033V D D4V S S5P 046P 057P 068P079MOSI10MISO11SCK12EECSN13XC114XC215VSS16V D D17V S S18V D D _P A19A N T 120A N T 221V S S22IR E F23V S S24VDD25AIN326AIN227AIN128AIN029AREF30DVDD_1V231P0032n R F 9E 5 圖 42 nRF9E5 的引腳圖 Pin assignment of nRF9E5 下面是 nRF9E5 的引腳工能列表。 為了實現(xiàn)微控制器（ MCU）對射頻收發(fā)單元的控制， nRF9E5 定義內(nèi)嵌的 8051MCU的 P2 口專門用于控制射頻收發(fā)模塊 P2 和SPI_CTRL 控制。當(dāng)信號輸出功率為 10dBm 時，射頻模塊電路的電流消耗僅為 9mA，當(dāng)接收信號時，射頻模塊電路的電 流消耗僅為 。 圖 42 nRF9E5 的 結(jié)構(gòu)框圖 nRF9E5 block diagram nRF905 是一個可工作于 433/868/915MHz 的射頻收發(fā)器，它內(nèi)部帶有完整的頻率合成單元，功率放大器， FSK 調(diào)制和接 收單元。 在 nRF9E5 中，除了內(nèi)置 8051 單片機(jī)外，另一個重要模塊就是射頻收發(fā)單元，該模塊 24 電路與單芯片射頻收發(fā)器 nRF905 一樣，它與內(nèi)嵌 MCU 是通過內(nèi)部并行口 P2 和內(nèi)部 SPI模式進(jìn)行通信 的 。 512 個字節(jié)的 ROM 中包含一個初始裝載程序，當(dāng)系統(tǒng)上電或程序復(fù)位時，這個初始裝載程序?qū)⒁龑?dǎo)系統(tǒng)通過 SPI 接口將用戶編寫的放在一塊外部串行 EERPMO 程序存儲器中的程序調(diào)入內(nèi)部 4K 的 RMA 中，然后系統(tǒng)在根據(jù)調(diào)入到 RAM 中的程序運行。同時微控制器的時鐘由外部晶振得到，時鐘頻率 控制靈活。另外微控制器模塊還比標(biāo)準(zhǔn) 8051多了 5 個特殊的中斷源： ADC， SPI， 2 個射頻相關(guān)中斷，一個喚醒功能。下面簡單介紹一下這兩個模塊。也就是說，載波低于 105dBm，載波檢測信號為低 (一般為 0)，高于 95dBm，則載波檢測信號為高 (一般為 VDD)，介于 105~95dBm 之間，載波檢測信號可能為低也可能為高。當(dāng)收發(fā)器 23 準(zhǔn)備發(fā)射數(shù)據(jù)時，它首先進(jìn)入接收方式并探測所工作的信道是否空閑。 表 42 nRF9E5 的特性 Features of nRF9E5 內(nèi)置 nRF905 433/868/915MHz 頻率可調(diào)收發(fā)器 內(nèi)嵌兼容工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 8051 微控制器 4 輸入 10 位 80ksps AD 轉(zhuǎn)換器 工作電壓： ~ 封裝： 32pin QFN（ 5? 5mm） 只需極少的外圍元件 內(nèi)置 VDD 電源監(jiān)控模塊 掉電模式時工作電流： ? A 最大輸出功率： +10dBm 頻道切換時間： 650? s 低 MCU 供電電流： 1mA， 4MHz3V 適合高頻應(yīng)用 具有載波檢測功能 低供電電流，發(fā)射時的典型值： 11mA10dBm，接收時的典型值： 對于 nRF9E5 而言，其最大的優(yōu)點是具有載波檢測功能。但 由于 nRF9E5 中沒有提供程序存儲空間 Flash， 所以每次上電復(fù)位后它都需要通過其 SPI 接口從外部程序存儲空間中導(dǎo)入 4K 的程序存放在內(nèi)部 4K 的 RAM 中 ， 為了適應(yīng) nRF9E5 這一特點，我們選用 Microchip 公司帶 SPI 接口的串行 EEPROM 25AA320 芯片作為射頻卡的程序存儲器，該芯片支持低電壓工作，最低工作電壓為 ，且該芯片的存儲空間為 4K。由于 nRF905 功耗低，工作可靠，因此很適用于井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計。 nRF9E5 沒有復(fù)雜的通訊協(xié)議，完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通訊，內(nèi) 22 置的 CRC 糾錯硬件電路和協(xié)議免去了軟件開發(fā)人員的軟件糾錯編程和微控制器的糾錯運算，降低了無線應(yīng)用的開發(fā)難度。采用 GFSK 調(diào)制，抗擾能力強(qiáng) ， 支持多點通訊，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 。該芯片采用+3VDC 供電，面積為 5mm 5mm，共有 32 個外部引腳。下面具體介紹一下這款芯片。 nRF9E5 和 CC1010 都是內(nèi)部集成有兼容 8051MCU 的單片射頻收發(fā)芯片，都具有豐富的硬件資源，可以完成復(fù)雜的通信任務(wù)。如果選用內(nèi)部沒有集成 MCU 的射頻芯片，那么這些工作都要由基站的主控 MCU 來完成，這會增加主控 MCU 的負(fù)擔(dān)，由于主控 MCU 還要完成其他的控制任務(wù)，為了 保證系統(tǒng)的可靠工作還需要增加一片 MCU 專門來完成無線收發(fā)的控制任務(wù)，這樣就增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，同時也增加了系統(tǒng)成本。其中前兩種射頻收發(fā)芯片內(nèi)部沒有集成微控制器（ MCU），需要增加微控制器（ MCU）來對數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收進(jìn)行控 制，而且內(nèi)部硬件資源較少，但價格相對較低，適用于簡單、低成本的無線通信電路；后面兩種內(nèi)部集成有與 8051 兼容的微控制器（ MCU），并具有多種硬件資源，功能強(qiáng)大，但同時價格也高。適合與計算機(jī)遙測遙控、安放、家庭自動化、汽車儀表數(shù)據(jù)讀取等無線數(shù)據(jù)發(fā)射 /接收系統(tǒng)中使用。靈敏度為 109dBm，可編程輸出功率為 20dBm~10dBm， FSK 調(diào)制，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) ， ~ 低電源工作。s Smart RF 技術(shù)的單片可編程 UHF 收發(fā)器芯片，電路工作在315/433/868/915MHz ISM 頻段（ 300MHz1000MHz）。應(yīng)用領(lǐng)域：無線數(shù)據(jù)通訊、報警和安全系統(tǒng)、自動測試系統(tǒng)、家庭自動化控制、 遙控裝置、監(jiān)測、車輛安全系統(tǒng)、工業(yè)控制、無線通信、電信終端等。只需極少的外圍元件就能組建一個完整的射頻收發(fā)電路。內(nèi)置 nRF905 收發(fā)器，包括所有 nRF905 芯片的特性，可以工作在 Shockburst 模式下（自動處理前綴，地址和 CRC），最大程度抑制了噪聲，工作電壓范圍為 。由上文對 nRF2401 工作模式的介紹，我們可以知道，nRF2401 一般工作于 ShockBurstTM 收發(fā)模式，這樣，系統(tǒng)的程序編制會更加簡單 ，并且穩(wěn)定性也會更高。 nRF2401的收發(fā)模式有 ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，收發(fā)模式由器件配置字決定。 nRF2401 有工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模 式。其 DuoCeiverTM 技術(shù)使 nRF2401 可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。 2） nRF2401 nRF2401 是單片射頻收發(fā)芯片，工作于 ～ ISM 頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片具有 3 線總線接口，可以通過 3 線總線以及外部引腳來設(shè)置傳輸狀態(tài)，僅需要極少的外部元件（天線匹配網(wǎng)絡(luò)、振蕩電路、 SAW 振蕩器）即可完成接收和發(fā)射的雙重功能。 XE1202 的接收部分集成有低噪聲放大器（ LNA）和下變頻器，采用直接變 頻方式，具有濾波通道和接受用的解調(diào)器，微控制 20 器接口可以直接對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并可以產(chǎn)生同步數(shù)據(jù)時鐘（ CLKD）?？梢怨ぷ髟?433MHz、 870MHz 和 915MHz ISM 頻段，其數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到 。 目前有多種功能不同的單片射頻收發(fā)芯片，下面接收其中典型的幾種。 從設(shè)計的方便性和可靠性來考慮，應(yīng)選用集成度較高的單片射頻收發(fā)芯片。 下面分別設(shè)計基站的其他四個模塊 ，為了合理的選用器件，按照無線收發(fā) 模塊、 主控單元、時鐘模塊、電源模塊的順序依次進(jìn)行設(shè)計 。 這些的模塊的功能如下： 通信模塊：負(fù)責(zé)基站（ BS）與地面的通信，完成現(xiàn)場總線與主控單元的接口功能； 時鐘模塊：負(fù)責(zé)提供日期與時間 數(shù)據(jù)，方便記錄井下的監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)基站向地面?zhèn)魉投ㄎ粩?shù)據(jù)時同時傳送定位時間信息； 無線收發(fā)模塊：完成基站與射頻卡的 無線通信，包括無線通信協(xié)議和數(shù)據(jù)的防碰撞算法部分； 主控單元：控制無線收發(fā)模塊、通信模塊和時鐘模塊的工作，進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲和處理； 電源模塊： 從井下的供電線路中獲取電源，并變換整定出穩(wěn)定可靠的直流電壓，為基站提供不同等級的電壓，滿足供電要求。移動站（ MS）部分需具有無線收發(fā)功能、數(shù)據(jù)存儲和處理功能。 無線通信 子系統(tǒng) 的硬件 設(shè)計 無線通信 子系統(tǒng) 由兩部分組成：基站（ BS）和移動站（ MS）。采用 RFID 技術(shù)對井下人員攜帶的射頻標(biāo)簽進(jìn)行識別，再通過有線方式將基站信息傳送到地面，即可完成井下人員定位的任務(wù)。因此也不予采用。 4 ZigBee 技術(shù)也具有較多優(yōu)點，適合于組建無線通信網(wǎng)絡(luò)。 2 HomeRF 技術(shù)中等，但由于是針對家庭應(yīng)用設(shè)計，因此有局限性。這種結(jié)構(gòu)的最大好處在于： (1)無論固定組網(wǎng)還是移動組網(wǎng)，都能夠迅速按需形成任意拓?fù)洌? (2)拓?fù)湓庥龉?jié)點高速、高頻變換時，無線網(wǎng)狀網(wǎng)能夠自動調(diào)整拓?fù)洳⒕S持連接； (3)能夠采用靈活的多跳傳輸，可隨需擴(kuò)展，非常適合有線不方便或成本很高的場合； 基于無線 MESH 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的以上優(yōu)點和煤礦井下環(huán)境惡劣、組網(wǎng)復(fù)雜等特殊條件，無 17 線 MESH 網(wǎng)絡(luò)很適合在煤礦井下應(yīng)用。在傳統(tǒng)的無線局域網(wǎng) (WLAN)中，每個客戶端均通過一條與 AP 相連的無線鏈路來訪問網(wǎng)絡(luò)，用戶如果要進(jìn)行相互通信的話，必須首先訪問一個固定的接入點(AP)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)被稱為單跳網(wǎng)絡(luò)。 (4) WIFI 手機(jī)通過 TCP/IP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，在網(wǎng)絡(luò)上的工作效率更高。 (2) WIFI 手機(jī)的無線通信質(zhì)量非常好，就是在嘈雜的環(huán)境下，也能有很好的過濾功能。 WIFI WIFI 全稱 Wireless Fidelity，采用 ，它的最大優(yōu)點就是傳輸速度較高，可以達(dá)到 54Mbps，另外它的有效距離也很長，同時也與已有的多種設(shè)備兼容。它具有以下特點： (1)操作方便，工作距離長，可以實現(xiàn)對移動目標(biāo)的識別； (2)無硬件接觸，避免了因機(jī)械接觸而產(chǎn)生的各種故障，使用壽命長； 16 (3)射頻識別卡無外露金屬觸點，整個卡片完全密封，具有良好的防水、防塵、防污損、防磁、防靜電性能，適合在惡劣環(huán)境條件下工作； (4)對無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)都經(jīng)過隨機(jī)序 列的加密，并有完善、保密的通信協(xié)議。它利用射頻方式進(jìn)行非接觸雙向通信，實現(xiàn)人們對各類物體或設(shè)備 (人員、物品 )在不同狀態(tài) (移動或靜止 )下的識別和數(shù)據(jù)交換。 ZigBee 使用 24GHz 波段，采用跳頻技術(shù)，它具有下述特點： 傳輸速率低： 10kbps250kbps； 功耗低：兩節(jié)普通 5 號干電池可使用半年到兩年； 成本低：由于 ZigBee 數(shù)據(jù)傳輸速率低、協(xié)議簡單，所以大大降低了成本 ； 網(wǎng)絡(luò)容量大：每個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可支持 255 個設(shè)備，也即每個 ZigBee 設(shè)備可與另外 254 臺設(shè)備相連接； 有效范圍?。河行Ц采w范圍為 10m－ 75m； 工作頻段靈活：使用 24GHz， 868MHz(歐洲 )及 915MHZ(美國 )免執(zhí)照頻段。 HomeRF 的不足在于在功能上過于局限家庭應(yīng)用。在 HomeRF2x 中，數(shù)據(jù)峰值高達(dá) 610Mb/s，接近 IEEE802l1b 標(biāo)準(zhǔn)的 11Mb/s，能滿足未來的家庭寬帶通信。采用跳頻調(diào)制可以有效地抑制無