基于nRF905的無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統

1 引言

在許多測控現場(chǎng)，傳統數據傳輸都是通過(guò)有線(xiàn)電纜實(shí)現的。隨著(zhù)射頻、集成電路技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線(xiàn)通信功能的實(shí)現更容易，數據傳輸速率更快，抗干擾能力更強，因此，許多應用采用了無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。無(wú)線(xiàn)數據傳輸與有線(xiàn)數據傳輸相比，有諸多優(yōu)點(diǎn)：一是成本低，省去大量布線(xiàn)；二是建網(wǎng)快捷，只需在每個(gè)終端連接無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊和架設適當高度天線(xiàn)；三是適應性好，可應用于某些特殊環(huán)境；四是擴展性好，只需將設備與無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊相連接。因此，無(wú)線(xiàn)傳輸是一種有效數據傳輸方式。

2 nRF905簡(jiǎn)介

nRF905是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9 V～3.6 V。工作于433 MHz、868 MHz、915 MHz 3個(gè)ISM頻段，頻道轉換時(shí)間小于650μs，最大數據速率為100 Kbit／s。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和GFSK調制器組成。無(wú)需外加聲表面濾波器，ShockBurst工作模式，自動(dòng)處理字頭和CRC，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便。此外，其功耗低，以-10 dBm輸出功率發(fā)射時(shí)電流僅11 mA，工作在接收模式時(shí)電流為12.5 mA，具有空閑模式與關(guān)機模式，易于實(shí)現功率管理。

nRF905具有兩種工作模式和兩種省電模式。工作模式包括：ShockBurst接收模式和ShockBurst發(fā)射模式。省電模式包括：掉電與SPI編程模式和待機與SPI編程模式。模式選擇由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP確定，如表1所示。

nRF905采用Nordic NLSI公司的ShockBurst技術(shù)。ShockBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數據傳輸而無(wú)需昂貴的高速MCU進(jìn)行數據處理和時(shí)鐘覆蓋。nRF905為微控制器提供一個(gè)SPI接口，速率由微控制器設定的接口速度決定。在ShockBurst工作模式下，nRF905以最大速率連接減小數字應用部分的速度降低應用平均電流消耗。在ShockBurst接收模式下，地址匹配(AM)和數據準備就緒(DR)信號通知MCU一個(gè)有效的地址和數據包，表明各自己接收完成。在ShockBurst發(fā)射模式下，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生前導碼和CRC校驗碼，數據準備就緒(DR)信號通知MCU數據傳輸完成?？傊?，降低了MCU的存儲器需求，即降低了MCU成本，縮短軟件開(kāi)發(fā)時(shí)間。

nRF905的所有配置是通過(guò)SPI接口完成。SPI對外由SCK、MISO、MOSI、CSN 4個(gè)引腳組成，對應5個(gè)內置寄存器和1個(gè)SPI指令集。5個(gè)內置寄存器分別是狀態(tài)寄存器、RF配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送有效數據寄存器、接收有效數據寄存器。某個(gè)SPI指令的設置決定了相應的功能。只有當nRF905處于待機或掉電狀態(tài)，SPI接口才工作。任何一條指令均從CSN的由高到低的轉換開(kāi)始。寄存器操作時(shí)，每次只能讀／寫(xiě)一個(gè)字節，或者先給出讀／寫(xiě)的開(kāi)始字節地址，然后再進(jìn)行讀／寫(xiě)操作。

3 系統設計

3.1硬件電路設計

系統硬件電路是以單片機和nRF905為核心元件，由單片機的I／O端口分別控制nRF905的狀態(tài)接口、模式接口和SPI接口，如圖1所示。其中，單片機選用Microchip公司的PIC16F876，該單片機采用2層流水線(xiàn)結構設計，內置8 KB×14 Flash程序存儲器，368 Byte數據存儲器，256 Byte EEPROM數據存儲器，13個(gè)中斷源，PORTA、PORTB、PORTC 3個(gè)I／O端口，3個(gè)定時(shí)器和1個(gè)看門(mén)狗定時(shí)器，2個(gè)CCP模塊，支持串行USART模塊等，適用于無(wú)線(xiàn)傳輸系統的控制，同時(shí)，系統具有良好的電源管理，設計了LC-π型濾波電路，可有效隔離數字電路與nRF905電路的電源。

另外，系統還加強了PCB的電磁兼容性設計。采用了雙面板設計，并保留底層作為接地面；電源濾波電容盡量靠近nRF905放置，采用電容并聯(lián)方式；nRF905所有的電源和旁路電容的接入點(diǎn)都要盡量靠近引腳；接地引腳直接通過(guò)孔與底面的地層連接；所有的開(kāi)關(guān)數字信號和控制信號都遠離晶體振蕩器和電源線(xiàn)。

3.2通信協(xié)議設計

nRF905內置簡(jiǎn)單的通信協(xié)議，收發(fā)雙方采用CRC校驗。一旦CRC校驗出錯，當前數據就會(huì )丟失。因此，在內置協(xié)議的基礎上，設計了完整通信協(xié)議。該協(xié)議由單片機軟件控制實(shí)現，采用誤碼--中斷--重發(fā)機制，如果通信中出現誤碼，單片機在正常的通信流程中產(chǎn)生中斷，重新發(fā)送和接收剛才CRC出錯的數據，確保通信成功。根據收發(fā)兩端的不同任務(wù)，整個(gè)協(xié)議分為主控協(xié)議和從控協(xié)議。

無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議是由單片機軟件控制實(shí)現的，相據通信雙方各自的特點(diǎn)分為M端協(xié)議和S端協(xié)議兩部分。其中，M端協(xié)議在無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議中具有主控作用。

3.2.1 M端協(xié)議設計

M端協(xié)議主要是從保證可靠接收的角度考慮，程序流程圖如圖2所示。采用nRF905的CD／AMDR信號作為狀態(tài)查詢(xún)，進(jìn)行正常狀態(tài)下的快速判斷和接收。正常情況下，當M系統發(fā)送控制指令后進(jìn)入接收模式，等待來(lái)自S系統的數據。與此同時(shí)，S系統在收到M系統的指令后，立即回傳數據，M系統收到后，本次通信結束。但是，如果S系統根本就沒(méi)有收到M系統發(fā)送的指令，或者S系統雖然收到M系統發(fā)的指令且也回傳了數據，但M系統卻沒(méi)有像預期的那樣收到該數據，則勢必造成了M系統和S系統都處于接收狀態(tài)，等待來(lái)自于對方的數據，單片機的程序則停留在不斷查詢(xún)CD／AM／DR信號狀態(tài)，出現死循環(huán)。