无线数据通信系统的设计.doc

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1、苏州大学本科生毕业论文（设计）目 录第一章 概述 （2）第二章 无线收发芯片nRF401工作原理 （3）第2.1节 芯片特点 （3）第2.2节 芯片内部框图 （3）第2.3节 芯片的主要特点及电气特性 （5）第2.4节 芯片典型应用 （6）第三章 无线数据通讯系统的硬件设计 （7）第3.1节 nRF401无线收发模块 （7）第3.2节 单片机与无线收发控制器的接口 （8）第3.3节多机通讯网络框图 （9）第四章 无线数据通讯系统的软件设计 （10）第4.1节 时序参数与通讯协议 （10）第4.1.1节 工作时序 （10）第4.1.2节 通信协议 （12）第4.2节 软件流程图 （13）第五章

2、扩展性能及相关问题的处理 （15）第5.1节 通讯距离的扩展 （15）第5.1.1节 影响无线通信距离的主要因素（15）第5.1.2节 加大功率提高通信距离（16）第5.1.3节 采用高增益天线提高通信距离（17）第5.2节 常见问题及解决办法（18）第5.2.1节 发送和接收频率问题（18）第5.2.2节 PCB布局和去藕设计指南（18）结束语 （21）参考文献 （22）致谢 （23）23 无 线 数 据 通 信 系 统 的 设 计06测控：许云峰 指导老师：朱桂荣【摘 要】文章利用无线收发芯片nRF401实现以单片机为控制系统的无线数据通信，并给出单片机控制nRF401硬件和通信软件的具体

3、设计。该系统数据传输速率较快，可靠性高，适于多种应用领域。【关键词】nRF401 无线数据通信 单片机 Abstract：This article recommended the wireless communication about microcomputers which utilizes nRF401, the hardware and software design which the singalchip computer controls the nRF401 is given. The systems performance is good and its functions

4、can expanded easily, so it can be applied in many regions.Keywords： nRF401 wireless data communication micro computer第一章 概 述nRF401是NORDIC公司最新推出的单片无线收发一体的芯片，在一个20脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换，是目前集成度最高的无线数传产品，目前国内的工业微机测控网络多为有线通信方式，有线通信的优点是数据传输可靠性较高，但需铺设较多明线，而有些生产领域由于条件所限，难以铺设线路，这时就需要无线通信来解

5、决问题。本文利用无线收发芯片nRF401实现了以单片机为控制系统的无线数据通信, nRF401无线收发芯片性能领先业界，其显著特点是外围元件较少(约个)，在设计上充分考虑了用户编程和使用的方便，例如nRF401可以直接接单片机串口发送接收数据，而无需对数据进行曼彻斯特编码，其他的单片收发芯片一般都需要对数据进行曼彻斯特编码后才能发送，采用曼彻斯特编码不仅增加了编程的复杂性，而且传输效率低，实际速率仅为标称的一半，不能满足实时传输的需要。而nRF401 系列独特的技术可以直接传送单片机串口数据，目前还没有其他厂商能做到这一点。 nRF401是目前外接元件最少的单片收发芯片之一，采用易于获得的4M

6、Hz晶振，通过频率合成器合成433MHz的工作频率，大大降低了成本，增加了使用的灵活性，而其他产品大多需要外接昂贵的变容二极管或表面波振子。系统性能较好，适于多种应用领域，有较大推广价值。并对单片机间的多机通信技术做了较深入的探讨，对系统硬件实现做了较详细的介绍。第二章 无线收发芯片nRF401工作原理第2.1节 芯片特点nRF401无线收发芯片是北欧集成电路公司（NORDIC）公司最新推出的一种集发射和接收为一体的真正单片UHF无线数传芯片，采用蓝牙核心技术设计，它在一个20脚双列直插封装的芯片中包括了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制、FSK解调、多频道切换等功能，是目前集成度最高

7、的无线数传产品。nRF401采用抗干扰能力强的调制方式，采用了移频键控进行调制解调，能够以20Kbps的比特率进行无线数据的传输，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。nRF401的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。它要求非常少的外围元件（约10个），无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一。无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，工作速率最高可达20Kbit/s，开阔地的使用距离最远可达1000M，工作在ISM频率433MHz和双信道频率433.92/434.33MHz，工作电压范围可以从2.7至5V，还具有

8、待机模式，可以更省电、更高效。以往设计无线数传产品往往需要相当的无线电专业知识和价格高昂的专业设备，传统的电路方案不是电路繁琐就是调试困难，令人望而却步，影响了用户的使用和新产品的开发，nRF401的出现使人们摆脱了无线产品设计的困难，nRF401采用抗干扰能力强的FSK移频键控调制方式，直接数据输入输出，特别适合工业场合。采用DSS+PLL频率合成技术，工作频率稳定可靠，外围元件少，便于设计生产，功耗极低，适合于便携及手持产品的设计，由于采用了低发射功率，高接收灵敏度的设计，满足无线管制要求，无需使用许可证，是目前低功率无线数传的理想选择，可广泛用于遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系

9、统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、无线数字语音、数字图像传输等。第2.2节 芯片内部框图5内部结构包括发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分，可分为高频接收/发射、PLL合成、FSK调制/解调和双频切换等单元。发射电路包含有：射频功率放大器、锁相环（PLL）、压控振荡器（VCO）、频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器，产生电路所需的基准频率（如图2.1），和各管脚的作用（如表2.1）。图2.1

10、芯片内部框图表2.1管脚描述管脚名称功能说明1XC1输入晶振输入2VDD电源电源+3-5V3VSS地电源地4FILT1输入环路滤波器5VCO1输入VCO电感6VCO2输入VCO电感7VSS地电源地8VDD电源电源+3-5V9DIN输入数据输入10DOUT输出数据输出11RF PWR输入发射功率设置12CS输入频道选择CS=0433.92MHz(channel#1)CS=1434.33MHz(channel#2)13VDD电源电源+3-5V14VSS地电源地15ANT2输入/输出天线终端16ANT1输入/输出天线终端17VSS地电源地18PWR-UP输入节电控制PWR-UP=1Power up(

11、Operating Mode)PWR-UP=2Power down(Standby Mode)19TXEN输入发射/接受控制TXEN=1Transmit modeTXEN=2Receive mode20XC2输出晶振输出nRF401非常适合用于无线数据传输；另外nRF401也可以用来传输数字语音以及数字图像，此时需与A/D、D/A配合。nRF401在设计上充分考虑了用户编程和使用的方便，例如nRF401可以直接接单片机串口发送接收数据，而无需对数据进行曼彻斯特编码，其他的单片RF收发芯片一般都需要对数据进行曼彻斯特编码后才能发送，采用曼彻斯特编码不仅增加了编程的复杂性，而且传输效率低，实际速率

12、仅为标称的一半，不能满足实时传输的需要。NRF401是目前外接元件最少的单片RF收发芯片之一，在为用户考虑方面做得很好，例如采用易于获得的4MHz晶振，大大降低了成本并增加了使用的灵活性；把成本较高且不易调试的变容二极管集成在芯片内部。第2.3节 芯片的主要特点及电气特性5主要特点：l 工作频率为国际通用的数传频段433MHz。 l FSK调制，直接数据输入输出，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。l 采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好。l 灵敏度高，达到-105dBm。l 功耗小，待机状态仅为8uA。l 低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备的要求。l 具有多个频道，可方便地切

13、换工作频率，特别满足需要多信道工作的特殊场合。l 工作速率最高可达20Kbit/S。l 仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试。由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米（与具体使用环境及元件参数有关），见表2.2。表2.2 电气特性：nRF401工作频段433MHz信道数2功能发射/接收稳频方式PLL调制方式FSK最大输出功率+10dBm灵敏度-105dBm最大工作速率20Kbit/s工作电压2.7-5.2V封装20SOIC第2.4节 芯片典型应用可广泛用于遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统

14、、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、无线数字语音、数字图像传输等。第三章 无线数据通信系统的硬件设计第3.1节 nRF401无线收发模块nRF401在设计上充分考虑了用户编程和使用的方便， nRF401可以直接接单片机串口发送接收数据，而无需对数据进行曼彻斯特编码，其他的单片RF收发芯片一般都需要对数据进行曼彻斯特编码后才能发送，采用曼彻斯特编码不仅增加了编程的复杂性，而且传输效率低，实际速率仅为标称的一半，不能满足实时传输的需要。nRF401是目前外接元件

15、最少的单片RF收发芯片之一，在为用户考虑方面做得很好，例如采用易于获得的4MHz晶振，大大降低了成本并增加了使用的灵活性；把成本较高且不易调试的变容二极管集成在芯片内部。ANT1和ANT2是接收时LNA的输入，以及发送时功率放大器的输出。连接nRF401的天线是以差分方式连接到nRF401上去的，在天线端推荐使用的负载阻抗是400。以nRF401为核心的无线收发器电路原理图（如图3.1），其中DI、DO分别是nRF401的串行输入、输出通道；ANT1和ANT2为两条信道。图3.1无线收发器电路原理图nRF401有三种工作模式：收模式、发模式和等待模式。在等待模式下，系统的功耗可以达到很小的值。

16、两个通信信道分别为433.92MHz和434.33MHz。nRF401的工作模式主要由三个引脚设定，分别是TXEN,CS和PWR。若PWR=0，TXEN和CS任意，系统为待机状态；若TXEN=1，系统为发送状态；TXEN=0，系统为接收状态；CS为信道的选通端，CS=0选通信道ANT1、CS=1选通信道ANT2，表3.1为nRF401的工作模式真值表。输入电平工作模式TXENCSPWR-UP频道模式0011RX0112RX1011TX1112TXXX0-待机表3.1 nRF401的工作模式真值表因此可通过单片机控制nRF401的工作模式，使其处于接收、发射、等待任一种状态，实现双工通信。由于无

17、线通信的外部条件较为恶劣，对系统的要求比较高，单片机以其可靠的稳定性能够满足要求。第3.2节 单片机与无线收发控制器的接口4为此本系统采用无线收发控制模块，它的功能是通过单片机控制nRF401协调从机与主机之间的通信，单片机控制由主机向从机发送地址帧和命令帧，同时接收从机上传的数据。单片机则通过串口与nR401通信。具体硬件借口电路图（如图3.2）所示。图3.2 无线收发控制模块原理图单片机的P1.2，P1.1，P1.0分别与nRF401的CS，PWR，TXEN相接，以控制nRF401的工作模式。第3.3节 多机通讯网络框图本系统利用nRF401无线收发芯片成功实现了以单片机为控制系统的无线数

18、据通信，组成了一台单片机作为主控机，多台单片机系统为分机的无线通讯网络，它以一台单片机机作为主控机，i台单片机作为从机(i=1,2,N)，组成了微机网络。主机向众多从机发出地址，从机接收到以后，均与本机地址相比较，若不相符则退出，相符则回发本机地址作为应答，主控机接收到从机回发地址以后，立即向响应从机发出命令，从机接收到命令，经判别后执行相应动作1。系统结构图（如图3.3）所示。nRF401收发器单片机系统（主机）图3.3 单片机系统多机无线数据通信组成框图单片机系统（从机）No.1nRF401收发器通道1通道n单片机系统（从机）No.nnRF401收发器通道1通道n第四章 无线数据通信系统的

19、软件设计第4.1节 通讯模块工作时序与通讯协议第4.1.1节 工作时序l nRF401的重要时序参数5nRF401在不同工作模式下的时序如表4.1所示表4.1 nRF401在不同工作模式下的时序表控制模式名称最大延时条件TXRXtTR3ms连续工作RXTXtRT1msStd.byTXtST2msStd.byRXtSR3msVDD=0TXtVT4ms上电VDD=0RXtVR5msTX与RX之间的切换当从RX模式切换到TX模式时，数据输入脚（DIN）必须保持为高至少1ms才能发送数据，时序图（如图4.2）所示。RX TO TXVDDPWR-UPTXENDIN 图4.2 RX模式到TX模式的切换时序

20、图 1ms 0 2 4 ms Standby与RX之间的切换 Std.by to RXVDDPWR-UPTXENDOUT图4.3 Standby模式到RX模式的切换时序图从待机模式到接收模式，当PWR-UP输入设置为1时，经过tSR时间后，DOUT脚输出数据才有效。对于nRF401来说tST 最长的时间是3ms，如图4.3所示 3ms 0 2 4 ms Standby与TX之间的切换 从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是tST，如图4.4所示。VDDPWR-UPTXENtd.by to TX DIN图4.4 Standby 模式到TX模式的切换时序图 1ms 1ms 0 2 4 ms P

21、ower Up与TX之间的切换从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生的干扰和辐射，在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时，TXEN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据l nRF401的节能控制PWR-UP选择工作模式和待机模式PWR-UP=1 选择正常工作模式PWR-UP=0 选择待机模式第4.1.2节 通信协议根据89C52串行口的多机通信能力，多机通信可以按以下协议进行：（1）首先使所有从机置SM2=1，处于只接收地址帧监听状态。（2）主机先发送以地址帧信息，并令第九位TB8=1，表示发送的是地址。（3）从机接收到地址帧后

22、，各自将接收地址与本机地址相比较，相同则使SM2=0，以接收主机随后发来的数据；不同则SM2依然为1不变，对主机随后发来的数据不予理睬。（4）从机向主机回送本机地址，主机接收到后，与原发送地址相比较，相同则置TB8=0，正式发送数据信息，否则重新联络。由于主机TB8=0，选中的从机必有SM2=0，RB8=0，接收到数据帧后，置RI=1，数据送入SBUF；而未被选中从机，由于SM2=1，RB8=0，RI不置位，信息丢失。主机通过无线收发控制器发送给从机的数据分两种：地址帧和命令帧；从机上传的只有数据帧。帧格式如下：起DOD1D2D3D4D5D6D7D8停启、停位各占1位，数据位7位。其中第9位是

23、SCOX中的TB8，它是多机通信时发送地址位（TB8=1）和数据位（TB8=0）的标志。地址帧D0D7全为地址时，编号为00HFFH，即网络中最多可有256台从机。命令帧D4D7为命令类别编号，最多可安排16条不同指令；D0D3为执行通道号，最多可有15个执行通道，编号为01HFFH，另外编号00H表示对所有通道执行相同命令。对于后两条命令D0D3无效。表4.2为本系统所设定的具体命令。表4.2 系统命令D7D6D5D4命令意义0000采集相应通道模拟量并上传数据0001打开相应执行通道0010关断相应执行通道0011上传本机工作状态0100与主机校时例如某从机与主机联络上后，接收到主机发来的

24、命令为H（00000000），则采集所有通道模拟量并上传数据。第4.2节 软件流程图l 单片机与无线通讯模块通信软件3采用查询方式的通信程序通常使单片机负担较重，本系统从机采用中断方式实现串口通信，以提高效率。下面给出串口中断服务程序流程图，见图4.5，同时给出单片机的处理程序。 开 始CLR RI保护现场主机发地址吗？是本机地址吗？SM2=0向主机回送本机地址接收下一帧是命令帧？命令散转命 令1命 令2命 令n命 令3SM2=1恢复现场返回图4.5 串口中断服务程序流程图 N Y N Y Y Y N Y Y第五章 扩展性能及相关问题的处理第5.1节 通讯距离的扩展在无线应用中设计者通常会要求

25、:“我需要在我的系统中达到最远的距离”，实际上设计者应该考虑的是“我需要的距离是多少”。因为距离与性能、以及成本等有密切关系。 理论估算: 视线距离（LOS） 选择合适的工作频段 目标价格 满足法规要求 障碍物 (如室内) 周围场地 (盒子, 其他应用中涉及的硬件) 在某些场合下需要尽可能远的通信距离，如何达到这一点，需要进行多方面的考虑。第5.1.1节 影响无线通信距离的主要因素 图5.1是一个无线通信系统的信道模型，在工作频率固定的前提下，影响工作距离的主要因素包括发射功率、发射天线增益、传播损耗、接收天线增益、接收机灵敏度等，通过加大发射功率，提高天线增益，提高接收机灵敏度均起到提高通信

26、距离的作用2。 图5.1无线通信系统的信道模型在影响无线通信距离的以上几个因素中，作为设计者可以控制的因素有： 接收灵敏度 RX 天线增益(loss) TX 天线增益(loss) 发射输出功率作为设计者不能控制的因素，以下这些因素是由无线电波的特点所决定的，无法由设计者改变及选择： 传输损耗 路径损耗 多径损耗 周围环境的吸收传输损耗包括自由空间损耗和其他传输损耗，所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件，自由空间传播损耗与距离和工作频率有关。下面的公式说明在自由空间下电波传播的损耗: Los(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz) Los

27、是传播损耗，单位为dB；d是距离，单位是km；f是工作频率，单位是MHz。由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率f和传播距离d有关，当f或d增大一倍时，Los将分别增加6dB。第5.1.2节 加大功率提高通信距离在设计者可以控制的因素中，接收灵敏度、天线增益、发射功率都是可以作为提高通信距离的手段，通常设计者会考虑采用加大发射功率的方式来提高通信距离，但这不是一个好的办法。有的设计者考虑到加大发射功率可以提高通信距离，但是没有考虑到其他不理想的因素： （1）加大功率后，带来高电流消耗。由于功率放大器的转换效率较低，这对于便携设备是非常不利的。（2）增加系统的成本。图5.2是

28、采用加大功率的方式，由图中可以看到需要增加LNA（低噪声放大器）、PA（功率放大器）、T/R（收发转换开关），这些部分大约需要增加40多个元件，会增加较高的成本，发射功率可能只增加一点，功耗增加很大，达数百毫安以上。（3）无线电噪声 由于加大功率会产生较大的谐波干扰和噪声，并会对通信造成其他影响，反而会影响通信距离。 图5.2 加大功率的方式 第5.1.3节 采用高增益天线提高通信距离用高增益天线来提高距离（如图5.3）具有以下优点：（1）集成天线，体积较小；（2）成本低于采用增加功放的方式；（3）与其他方案相比非常简单；（4）无需增加额外的功耗和增加外围元件。 图5.3 采用高增益天线来达到

29、远距离无线通信的设计以下举例采用高增益天线与采用Loop低增益天线的通信距离对比：（1）采用环形天线: f0: 434 MHz (= 0.69 m) Pt: 10 dBm Gtx_ant:-17.7dB(3520loop天线) Grx_ant:-22dB(2515loop天线) S: -105 dBm LP=S-Pt-Gtx_ant-Grx_ant= -75.3 dB（2）采用0dB增益天线 f0: 434 MHz (= 0.69 m) Pt: 10 dBm Gtx_ant: 0 dB 天线 Grx_ant: 0 dB 天线 S: -105 dBm LP=S-Pt-Gtx_ant-Grx_an

30、t= -115 dB这是理想状况下的传输距离，实际的应用中是会低于该值，这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，将上述损耗的参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。 假定大气、遮挡等造成的损耗为25dB，可以计算得出通信距离为：d =1.7km。由此也可看出传播损耗对数据传输可靠性的影响是很大的。由于无线通信环境的不确定性，预测各种环境下的传输效果是不可能的，取决于以下因素的影响:路径损耗,建筑物影响,人体影响, 外界干扰，多径现象，周围环境的吸收等。我们只能在一个给定的条件下进行测试和评估。在我们的测试中，两端均离地面1.5m高时，开阔地通信距离可达 1

31、600m。采用高增益天线来提高通信距离是低功率无线应用扩展通信的较好办法。第5.2节 常见问题及解决办法第5.2.1节 发送和接收频率问题：为了获得最好的RF性能，发射和接收频率误差不能超过70ppm（30KHz）,这就要求晶体的稳定度不能低于+35ppm，频率的差异将会导致接收机灵敏度产生-12dB/倍程的损失。例如一个振幅+20ppm频率精度和在温度范围内+25ppm稳定度的晶体，最大的频率误差将会超过+45ppm。 如果发射机和接收机工作在不同的温度环境，在最差的情况下两边的误差将会超过90ppm，其结果将会导致接收机灵敏度下降将近5dB。第5.2.2节 PCB布局和去藕设计指南：(1)

32、PCB布局为减小来自噪声模块及周边模拟部分的干扰，各电路模块在板上的排布是重要的.应总是将敏感的模块（RF部分和天线）远离噪声模块（微控制器和RS-232驱动器）以避免干扰.(2)屏蔽RF信号对其它模拟部分的影响如上所述，RF信号在发送时会对其它敏感模拟电路模块如ADC造成干扰.大多数问题发生在较低的工作频段（如27MHz)以及高的功率输出水平.虽然400MHz以上的频率很少造成问题，仍用RF去耦电容(100pF)连接到地来去耦敏感点是一个好的设计习惯.(3)在板环形天线(Loop antenna)的特别考虑天线可以整体做在PCB上.对比传统的鞭状天线，不仅节省空间和生产成本，机构上也更稳固可靠.惯例中环形天线设计应用于相对较窄的带宽.这有助于抑制强的不需要的信号以免干扰接收器.应注意到环形天线（正如所有其它天线）可能收到由附近噪声信号线路容性耦合的噪声.它会干扰接收器，也可能影响发送器的调制.因此在天线附近一定不要排布数字信号线路，并建议在天线周围保持自由空间.接近天线的任何物体都将构成调谐网络的一部分而导致天线调谐偏离预想的频点，使收发辐射范围（距离）减小.对于所有的各类天线必须注意这一事实，电路板的外壳（外围包装）也可能影响天线调谐，因此将天线安装在外壳里后最终调谐天线是很重要的.同时应注意去除天线面