无线数据通信系统的设计论文1.docx
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无线数据通信系统的设计论文1
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)
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:
ThisarticlerecommendedthewirelesscommunicationaboutmicrocomputerswhichutilizesnRF401,thehardwareandsoftwaredesignwhichthesingalchipcomputercontrolsthenRF401isgiven.Thesystem’sperformanceisgoodandit’sfunctionscanexpandedeasily,soitcanbeappliedinmanyregions.
Keywords:
nRF401wirelessdatacommunicationmicrocomputer
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10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。
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RF收发芯片之一,采用易于获得的4MHz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,是目前集成度最高的无线数传产品。
nRF401采用抗干扰能力强的FSK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芯片内部框图
表2.1管脚描述
管脚
名称
功能
说明
1
XC1
输入
晶振输入
2
VDD
电源
电源+3-5V
3
VSS
地
电源地
4
FILT1
输入
环路滤波器
5
VCO1
输入
VCO电感
6
VCO2
输入
VCO电感
7
VSS
地
电源地
8
VDD
电源
电源+3-5V
9
DIN
输入
数据输入
10
DOUT
输出
数据输出
11
RFPWR
输入
发射功率设置
12
CS
输入
频道选择
CS=0—433.92MHz(channel#1)
CS=1—434.33MHz(channel#2)
13
VDD
电源
电源+3-5V
14
VSS
地
电源地
15
ANT2
输入/输出
天线终端
16
ANT1
输入/输出
天线终端
17
VSS
地
电源地
18
PWR-UP
输入
节电控制
PWR-UP=1—Powerup(OperatingMode)
PWR-UP=2—Powerdown(StandbyMode)
19
TXEN
输入
发射/接受控制
TXEN=1—Transmitmode
TXEN=2—Receivemode
20
XC2
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:
●工作频率为国际通用的数传频段433MHz。
●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。
●采用DSS+PLL频率合成技术,频率稳定性极好。
●灵敏度高,达到-105dBm。
●功耗小,待机状态仅为8uA。
●低工作电压(2.7V),可满足低功耗设备的要求。
●具有多个频道,可方便地切换工作频率,特别满足需要多信道工作的特殊场合。
●工作速率最高可达20Kbit/S。
●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、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400Ω。
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。
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
TXEN
CS
PWR-UP
频道
模式
0
0
1
1
RX
0
1
1
2
RX
1
0
1
1
TX
1
1
1
2
TX
X
X
0
--
待机
表3.1nRF401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。
第四章无线数据通信系统的软件设计
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
●nRF401的重要时序参数[5]
nRF401在不同工作模式下的时序如表4.1所示
表4.1nRF401在不同工作模式下的时序表
控制模式
名称
最大延时
条件
TX→RX
tTR
3ms
连续工作
RX→TX
tRT
1ms
Std.by→TX
tST
2ms
Std.by→RX
tSR
3ms
VDD=0→TX
tVT
4ms
上电
VDD=0→RX
tVR
5ms
①TX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。
RXTOTX
1ms
024ms
②Standby与RX之间的切换
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
024ms
③Standby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。
1ms1ms
024ms
④PowerUp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
●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,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
DO
D1
D2
D3
D4
D5
D6
D7
D8
停
启、停位各占1位,数据位7位。
其中第9位是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D0~D7全为地址时,编号为00H~FFH,即网络中最多可有256台从机。
命令帧D4~D7为命令类别编号,最多可安排16条不同指令;D0~D3为执行通道号,最多可有15个执行通道,编号为01H~FFH,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D0~D3无效。
表4.2为本系统所设定的具体命令。
表4.2系统命令
D7
D6
D5
D4
命令意义
0
0
0
0
采集相应通道模拟量并上传数据
0
0
0
1
打开相应执行通道
0
0
1
0
关断相应执行通道
0
0
1
1
上传本机工作状态
0
1
0
0
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
●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。
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:
“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:
434MHz(λ=0.69m)
●Pt:
10dBm
●Gtx_ant:
-17.7dB(35×20loop天线)
●Grx_ant:
-22dB(25×15loop天线)
●S:
-105dBm
LP=S-Pt-Gtx_ant-Grx_ant=-75.3dB
(2)采用0dB增益天线
●f0:
434MHz(λ=0.69m)
●Pt:
10dBm
●Gtx_ant:
0dB天线
●Grx_ant:
0dB天线