nRF905無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前信息領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中一個(gè)重要的技術(shù)組成，可以實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境連續(xù)不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、事件檢測(cè)、事件標(biāo)識(shí)、位置監(jiān)測(cè)和節(jié)點(diǎn)控制，無線通信模塊的這些特性使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣闊，能夠廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、城市交通、大型車間和倉庫管理，以及機(jī)場(chǎng)、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深人研究和廣泛應(yīng)用，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸深入到人類生活的各個(gè)領(lǐng)域而受到國內(nèi)外研究人員的重視。本文設(shè)計(jì)了一種基于Atmega16單片機(jī)和nrf905射頻芯片的無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于低功耗、短距離、小數(shù)據(jù)量的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線數(shù)據(jù)傳輸和交換應(yīng)用。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)無線通訊模塊是由數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊兩個(gè)完全相同的節(jié)點(diǎn)模塊構(gòu)成，數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊都選用Atmega16單片機(jī)作為主控制器，由單片機(jī)控制射頻芯片nRF905實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的Atmega16單片機(jī)采集上位機(jī)或數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)處理器處理后傳送給節(jié)點(diǎn)內(nèi)nRF905無線通信模塊，由無線通信模塊經(jīng)調(diào)制和功率放大后將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)通過節(jié)點(diǎn)內(nèi)的nRF905無線通信模塊接收來自數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，解調(diào)后傳給節(jié)點(diǎn)的主控制器———Atmega16單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)過判斷和處理，發(fā)送相應(yīng)的處理命令，完成一次數(shù)據(jù)通信任務(wù)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無線通信節(jié)點(diǎn)模塊的主控制器選AVR系列的Atmega16單片機(jī)，其外圍電路有：RS232電平轉(zhuǎn)換電路、USB接口電路、1602液晶顯示模塊、nRF905無線模塊以及蜂鳴器提示音電路等。

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用價(jià)格便宜的Atmega16單片機(jī)作為主控制器。該系列單片機(jī)是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，以低功耗特性被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。該款單片機(jī)內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊，無需專用的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器；同時(shí)與傳統(tǒng)的8051單片機(jī)系列相比增加兩個(gè)可編程的串行USART接口。該單片機(jī)具有40個(gè)引腳，16kBFlash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，1kB的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，一個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路等功能，完全滿足本系統(tǒng)需求。

2.2無線射頻收發(fā)器

本文設(shè)計(jì)的無線通信模塊采用挪威Nordic公司的nRF905單片射頻收發(fā)器，該模塊采用先進(jìn)的VLSIShockBurst技術(shù)，通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號(hào)處理放到芯片內(nèi)，通過一個(gè)SPI接口實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用微控制器的通信，并編程配置接口的數(shù)據(jù)通信速率。nRF905具有ShockBurstRX和ShockBurstTX等多種工作模式，分別是接收模式、發(fā)送模式、關(guān)機(jī)模式和空閑模式；nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP三個(gè)引腳決定，可有效降低應(yīng)用的平均電流消耗和對(duì)MCU的存儲(chǔ)器需求，具有單片、低電壓、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)硬件電路是以Atmega16單片機(jī)和nRF905模塊為核心元件，由單片機(jī)的I/O端口分別控制nRF905模塊的狀態(tài)接口、模式接口和SPI接口。nRF905的發(fā)送流程：

（1）若單片機(jī)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，通過nRF905模塊的SPI接口，按時(shí)序把數(shù)據(jù)發(fā)送目標(biāo)地址和數(shù)據(jù)傳送給nRF905，可通過器件初始化配置時(shí)設(shè)定SPI接口的速率；

（2）單片機(jī)設(shè)置TRX_CE和TX_EN為1，配置nRF905的工作模式為ShockBurstTM發(fā)送模式；

（3）nRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式的工作過程：配置nRF905的射頻寄存器自動(dòng)開啟；對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包，在數(shù)據(jù)包中增加字頭和CRC校驗(yàn)碼；進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送；若數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，DR引腳置1；TRX_CE引腳置1，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)；

（4）AUTO_RETRAN被置高，nRF905重復(fù)（3）步驟的數(shù)據(jù)發(fā)送，直到數(shù)字輸入引腳TRX_CE被置0；

（5）當(dāng)數(shù)字輸入引腳TRX_CE被置0，nRF905發(fā)送過程完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。另外，nRF905的ShockBurstTM工作模式規(guī)定，進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送過程后，將延遲處理TX_EN和TRX_CE的狀態(tài)改變情況，數(shù)據(jù)發(fā)送過程完畢后才進(jìn)行處理。只有當(dāng)前一個(gè)數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，nRF905才能接受下一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)包的任務(wù)。

2.3RS232接口電路設(shè)計(jì)

無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過串行通信接口與PC機(jī)通信。本文選用RS232串行通信接口，采用的是LVTTL電平標(biāo)準(zhǔn)，即2V～3.3V表示邏輯1，0V～0.4V表示邏輯0。由于兩者的邏輯狀態(tài)不統(tǒng)一，所以需對(duì)電平信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)二者之間的通信，選用MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)基于Atmega16單片機(jī)的無線通信系統(tǒng)，充分利用射頻無線芯片nRF905的小尺寸、低功耗、低電壓及高速數(shù)據(jù)傳輸性能，通過設(shè)計(jì)合理的通信協(xié)議,提高了系統(tǒng)通信的可靠性。此外，系統(tǒng)可通過在發(fā)送/接收模塊中增加功率放大模塊提高無線通信距離，并保證系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，便于投入實(shí)際應(yīng)用，可應(yīng)用到短距離無線傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、生物信號(hào)采集和無線遙控等其它一些無線通信領(lǐng)域，以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的雙向傳輸，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

作者：歐幸福 陳文鳳 李秀忠 方寧 單位：佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院