完整版基于单片机无线通信网络的实现毕业设计Word格式文档下载.docx

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2.1.3单片机与无线模块的接口—SPI总线5

2.1.4无线模块的工作模式6

2.1.5配置无线模块实现点对点的通信7

2.2无线通信网络8

2.2.1无线网络的概念8

2.2.2点对多点的无线网络实现8

2.3单片机的rs232串口在通信过程中的应用8

2.3.1单片机的rs232串口的原理8

2.3.2单片机的rs232串口在无线网络设计调试中的应用9

3CSMA-CA的多点多主机式无线网络的具体实现方法9

4网络系统的主要流程图11

4.1基站的流程图11

4.2网络系统流程图12

5硬件电路设计介绍13

5.1系统电平介绍13

5.1.1TTL电平标准13

5.1.2两种电平供电与转化的解决方案13

5.2单片机相关电路13

5.2.1单片机复位电路14

5.2.2晶振电路15

5.2.3单片机串口电路16

5.3单片机与nRF2401接口电路16

5.3.1电平转化17

5.3.2单片机和nRF2401的连接17

5.4系统总体电路图17

6结论18

致谢19

参考文献20

附录120

附录222

附录322

附录423

附录527

附录628

1绪论

1.1无线网络的应用价值

无线网络的历史起源可以追溯到50年前第二次世界大战期间。

当时，美国陆军研发出了一套无线电传输技术，采用无线电信号进行资料的传输。

这项技术令许多学者产生了灵感。

1971年，夏威夷大学的研究员创建了第一个无线电通讯网络，称作ALOHNET。

这个网络包含7台计算机，采用双向星型拓扑连接，横跨夏威夷的四座岛屿，中心计算机放置在瓦胡岛上。

从此，无线网络正式诞生。

近些年来由于电子科技的发展无线网络灵活性和移动性，安装便捷，易于进行网络规划和调整。

故障定位容易，易于扩展等优点被凸显的淋漓尽致。

因此其发展十分迅速。

最近几年，无线局域网已经在企业、医院、商店、工厂和学校等场合得到了广泛的应用。

1.2现有的无线模块介绍

1.2.1CC1100

它是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。

电路主要设定为在315、433、868和915MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距MHz的其他频率。

它还为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。

CC1100为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。

1.2.2nRF905

它的RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。

这个调制解调器支持不同的调制格式，在915M频段其数据传输率可达500kbps。

通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。

1.2.3nRF2401

它是是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，它内部无线收发器的频率发生器具有增强型SchockBurstTM模式，能高效的与低速或中速CPU结合提高发射速度和效率。

此外它内部的功率控制器，晶体振荡器，调制器，解调器，输出功率频道选择和协议的设置都可以通过SPI接口方便的被CPU设置。

他功耗极低当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9.0mA接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

1.3无线通信协

目前比较常用的无线网络协议有如下四种：

IEEE802.11系列协议：

作为全球公认的局域网权威，IEEE802工作组建立的标准在局域网领域内得到了广泛应用。

这些协议包括802.3以太网协议、802.5令牌环协议和802.3z100BASE-T快速以太网协议等。

IEEE于1997年发布了无线局域网领域第一个在国际上被认可的协议——802.11协议。

1999年9月，IEEE提出802.11b协议，用于对802.11协议进行补充，之后又推出了802.11a、802.11g等一系列协议，从而进一步完善了无线局域网规范。

蓝牙规范（Bluetooth）：

蓝牙规范是由SIG（特别兴趣小组）制定的一个公共的、无需许可证的规范，其目的是实现短距离无线语音和数据通信。

蓝牙技术工作于2.4GHz的ISM频段，基带部分的数据速率为1Mbit/s，有效无线通信距离为10~100m，采用时分双工传输方案实现全双工传输。

蓝牙技术采用自动寻道技术和快速跳频技术保证传输的可靠性，具有全向传输能力，但不需对连接设备进行定向。

在任意时间，只要蓝牙技术产品进入彼此有效范围之内，它们就会立即传输地址信息并组建成网，这一切工作都是设备自动完成的，无需用户参与。

HomeRF标:

准HomeRF工作组于1998年为在家庭范围内实现语音和数据的无线通信制订出一个规范，即共享无线访问协议（SWAP）。

该协议主要针对家庭无线局域网，其数据通信采用简化的IEEE802.11协议标准。

HomeRF标准采用扩频技术，工作在2.4GHz频带，可同步支持4条高质量语音信道并且具有低功耗的优点，适合用于笔记本电脑。

HyperLAN/2标准：

2002年2月，ETI的宽带无线接入网络（BroadbandRadioAccessNetworks，BRAN）小组公布了HiperLAN/2标准。

HiperLAN/2标准由全球论坛（H2GF）开发并制定，在5GHz的频段上运行，并采用OFDM调制方式，物理层最高速率可达54Mbit/s，是一种高性能的局域网标准。

HyperLAN/2标准定义了动态频率选择、无线小区切换、链路适配、多波束天线和功率控制等多种信令和测量方法，用来支持无线网络的功能。

基于HyperRF标准的网络有其特定的应用，可以用于企业局域网的最后一部分网段，支持用户在子网之间的IP移动性。

在热点地区，为商业人士提供远端高速接入因特网的服务，以及作为W-CDMA系统的补充，用于3G的接入技术，使用户可以在两种网络之间移动或进行业务的自动切换，而不影响通信。

1.4CSMA/CA无线网络设计实现与应用

CSMA/CA协议的工作流程分为两个分别是:

　　送出数据前，监听媒体状态，发现媒体空闲时，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后依然没有被使用，才送出数据。

由於每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会。

　　送出数据前，先送一段小小的请求传送报文（RTS:

RequesttoSend）给目标端，等待目标端回应CTS:

CleartoSend报文后，才开始传送。

利用RTS-CTS握手（handshake）程序，确保接下来传送资料时，不会被碰撞。

同时由於RTS-CTS封包都很小，让传送的无效开销变小。

　　CSMA/CA通过这两种方式来提供无线的共享访问，这种显式的ACK机制在处理无线问题时非常有效。

然而不管是对于802.11还是802.3来说，这种方式都增加了额外的负担，所以802.11网络和类似的Ethernet网比较总是在性能上稍逊一筹。

以协议为依据，用89s52单片机模拟SPI总线控制nRF2401无线模块，通过对无线模块合理的配置，可很容易的在物理层和数据链路层实现符合协议要求点对点的通信。

接下来我们模拟以上两条协议，安排合理的路由方式以及传输层无重复无丢失的传输控制协议。

即可实现一个具有CSMA\CA意义的无线通信网络。

并且基于这个网络，我们设计了一个具有，及步进电机控制，和LCD中文操作菜单界面的简单预警系统（应用部分由队友完成）。

2无线通信网络的实现

2.1单片机与无线模块

2.1.151单片机的性能与使用

本设计选用被普及使用的性价比很高的微处理器AT89S52作为系统核心，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。

片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

它还有256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

它来控制nRF2401可以很好的互相配合，发挥各自的功能。

2.1.2nRF2401的特性

（1）2.4GHz全球开放ISM频段免许可证使用。

（2）最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。

（3）126频道，满足多点通信和跳频通信需要。

（4）内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制。

（5）低功耗1.9-3.6V工作，待机模式下状态为22uA；

掉电模式下为900nA。

（6）内置2.4GHz天线，体积小巧15mmX29mm。

（7）模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示），可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便。

（8）内置专门稳压电路，使用各种电源包括DC/DC开关电源均有很好的通信效果。

（9）与51系列单片机P0口连接时候，需要加10K的上拉电阻,与其余口连接不需要上拉电阻。

关于nRF2401的内部模块结构图参照下图2-1：

图2-1nRF2401的内部模块结构图

2.1.3单片机与无线模块的接口—SPI总线

SPI就是串行外围设备接口，是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB的布局上节省空间，提供方便。

该接口一般使用4条线：

串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS（有的SPI接口芯片带有中断信号线INT或INT、有的SPI接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI）。

SPI的工作模式有两种：

主模式和从模式，无论那种模式，都支持3Mbit/s的速率，并且还具有传输完成标志和写冲突保护标志。

SPI总线时序格式如下图2-2：

图2-2SPI总线时序格式

2.1.4无线模块的工作模式

nRF2401工作模式有四种：

其中收发模式收发模式有EnhancedShockBurstTM收发模式、ShockBurstTM收发模式和直接收发模式三种，第四种模式为掉电等待模式。

收发模式由器件配置字决定，由于篇幅所限这里只介绍将EnhancedShockBurstTM收发模式及其配置和应用。

EnhancedShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速（1Mbps）发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。

与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三