基于A(yíng)Tmega16和nRF905的無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)系統設計

0引言

隨著(zhù)當今電子科技的飛速發(fā)展，各種智能化控制系統(比如智能化小區內部的無(wú)線(xiàn)抄表系統、門(mén)禁系統、防盜報警系統和安全防火系統等)、工業(yè)數據采集系統、水文氣象控制系統、機器人控制系統、數字圖像傳輸系統等等，都已經(jīng)離不開(kāi)數據信息的電子傳輸?？梢哉f(shuō)，數據信息傳輸系統是各種智能化控制系統的重要組成部分。而數據傳送大部分采用有線(xiàn)數據傳送方式，如并行傳送、串行傳送和CAN總線(xiàn)等等。在有線(xiàn)數據傳輸方式當中。數據的傳輸載體是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖。其實(shí)，數據傳輸還可以用無(wú)線(xiàn)傳輸方式，即通過(guò)空氣或真空實(shí)現數據傳送。相比于傳統的有線(xiàn)數據傳輸方式，無(wú)線(xiàn)傳輸方式可以不考慮傳輸線(xiàn)纜的安裝問(wèn)題，從而節省大量線(xiàn)纜，降低施工難度和系統成本，因而是一個(gè)很有發(fā)展潛力的研究課題。

本文給出了用ATMEGA16L單片機和nRF905無(wú)線(xiàn)射頻器收發(fā)組成的一種無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統的設計方案。該系統由發(fā)射和接收模塊組成。發(fā)射模塊主要將要發(fā)送的數據經(jīng)單片機處理后，通過(guò)nRF905發(fā)送出去。在接收模塊中，nRF905則將數據正確接收后通過(guò)數碼管顯示出來(lái)，從而實(shí)現短距離的無(wú)線(xiàn)通信。

1收發(fā)系統硬件設計

1.1 系統硬件總體方案

本系統的總體框圖如圖1所示，圖中箭頭指向表明信號的走向。本系統從功能上可以分為電源模塊、中心控制模塊、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊、接收數據顯示模塊等四個(gè)部分。

本設計需要3.3 V電壓。故可用三端可調輸出集成穩壓器LM317來(lái)產(chǎn)生3.3 V電壓。圖2所示是用LM317產(chǎn)生3.3 V電源電壓的電路原理圖。

1.3單片機控制電路

該系統選擇AVR ATMEGA16L單片機來(lái)進(jìn)行控制電路的設計。其原因主要是該單片機具有以下特點(diǎn)：

(1)速度快

AVR單片機在單一時(shí)鐘周期內能夠執行功能強大的指令，每MHz可實(shí)現MIPS的處理能力，是具有最高M(jìn)IPS／mW能力的8位單片機。AVR單片機采用大型快速存取寄存器文件和快速單周期指令。其快速存取RISC寄存器文件由32個(gè)通用工作寄存器組成。

(2)片內資源豐富

內含8通道10位AD轉換器的最高采樣率為15kSPS，可滿(mǎn)足本系統所要求的8kSPS的要求；SPI(Serial Peripheral Interface，串行外設接口)控制器可簡(jiǎn)化單片機與串行DAC和無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片之間的通訊，減少連線(xiàn)；而512字節的EEPROM則可在掉電時(shí)存儲用戶(hù)信息：該單片機有兩個(gè)外部中斷，可確保單片機及時(shí)響應并處理最新收到的信息。

(3)可重復擦寫(xiě)并可在系統編程(ISP)

AVR單片機ATMEGA16L中的程序存儲空間采用的是Flash存儲技術(shù)，因此，該單片機的內部存儲單元可在線(xiàn)重復擦寫(xiě)1000次以上。

(4)低功耗

AVR ATMEGA16L單片機的工作電壓范圍為2.7～5.5 V，同時(shí)具有休眠省電功能(POWERDOWN)及閑置(IDLE)低功耗功能，此時(shí)的一般耗電在1～2.5 mA之間。由于本系統以移動(dòng)性和低功耗見(jiàn)長(cháng)，因此，采用此單片機芯片可以滿(mǎn)足系統對功耗的要求。

(5)帶有同步串行接口SPI

SPI是一種同步串行外圍總線(xiàn)系統接口，它可以使微處理器與各種外圍設備以同步串行方式進(jìn)行信息交換。SPI總線(xiàn)一般使用四根信號線(xiàn)：SCK(串行時(shí)鐘)、MISO(主機輸入／從機輸出)、MOSI(主機輸出／從機輸入)和SS(低電平有效的從機選擇)。利用SPI總線(xiàn)可以在軟件控制下構成各種系統。

ATMEGA16L單片機內含一個(gè)標準的SPI接口，可用于單片機與單片機或外設之間進(jìn)行高速同步數據傳輸。它使用標準的四線(xiàn)接口。SCK、MISO、MOSI、／SS分別與PB7、PB6、PB5和PB4復用。在硬件設計時(shí)，本設計把MCU的SPI接口、nRF905的SPI接口．以及另外選定的幾個(gè)I／O口連接到nRF905的輸入輸出信號。ATMEGA16L與外圍器件的連接電路見(jiàn)圖3所示。

1.4無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF905簡(jiǎn)介

系統中的無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路采用挪威Nordic公司的單片無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片nRF905。該芯片的工作電壓為1.9～3.6 V，采用32引腳QFN封裝(5×5 mm)，可工作于433／868／915 MHz三個(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué))頻段，是一個(gè)真正的單片UHF無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片。nRF905采用FSK調制解調技術(shù)，頻道之間的轉換時(shí)間小于650μs。nRF905集成度高，由一個(gè)完全集成的頻率調制器、一個(gè)帶解調器的接收器、一個(gè)功率放大器、一個(gè)晶體振蕩器和一個(gè)調制器組成，工作頻率穩定可靠，外圍元器件少，不需外加聲表濾波器，ShockBurstTM工作模式，能自動(dòng)產(chǎn)生前導碼和CRC(循環(huán)冗余碼校驗)，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，nRF905最高工作速率可達20 k，發(fā)射功率可以調整，最小為-10 dBm，最大為+10 dBm。其功耗非常低，以-10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5 mA，內建空閑模式與關(guān)機模式，易于實(shí)現節能，適合便攜式產(chǎn)品的設計。

1.5無(wú)線(xiàn)收發(fā)電路設計

本系統的無(wú)線(xiàn)發(fā)射接收電路主要利用nRF905與外圍器件構成的電路組成，其主要部分是天線(xiàn)。簡(jiǎn)而言之，就是一個(gè)特定形狀的導體，它可以將電流轉化為射頻能量并以電波形式發(fā)射出去．或將無(wú)線(xiàn)電波接收進(jìn)來(lái)。任何一個(gè)無(wú)線(xiàn)系統都有天線(xiàn)，天線(xiàn)設計的好壞直接影響無(wú)線(xiàn)系統的收發(fā)能力。圖4所示是用nRF905差分連接的環(huán)形天線(xiàn)圖。