基于nRF905模块和C8051F单片机的无线收发系统设计

前言

在闭环钻井系统中，要求实时地把井下的信息传递到地面，以实施人工监控。通常情况下该任务由MWD中泥浆压力脉冲发生器来完成。当使用井下动力钻具组合时，近钻头传感器和 MWD被动力钻具隔开。传感器无法用线缆与MWD连接，因此要把传感器的信息传送给MWD只能通过无线通信的方法。

本文设计了由 C8051F0606单片机和nRF905无线射频器收发组成的一种无线数据传输系统的方案。该系统由发射和接收模块组成，发射模块主要将要发送的数据经单片机处理后，通过nRF905发送出去；在接收模块中，nRF905则将数据正确接收后通过上位机界面显示出来，从而实现短距离井下的无线通信。

无线收发系统硬件设计

nRF905模块简介

nRF905是Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9 V~3.6 V，工作于433MHz、868MHz、915MHz 3个ISM频段，频道转换时间小于650μs，最大数据速率为100 kbit/s。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和GFSK调制器组成。

nRF905 模块的高频头用户接口电路管脚图如图1所示。


图1 nRF905模块的高频头用户接口电路管脚

nRF905模块具有两种工作模式和两种节电模式。工作模式包括：ShockBurst 接收模式和ShockBurst 发射模式；节电模式包括：掉电与 SPI 编程模式、待机与SPI编程模式。

系统硬件设计

本无线收发电路主要由C8051F060单片机和无线射频芯片 nRF905组成。系统方框图如图2所示。


图2 无线收发电路系统组成框图

C8051F350是Silabs 公司的一款精确混合信号单片机，片内有8通道16bit的S-D型ADC、128倍PGA、电流型DAC以及VREF等模拟外设，可以方便地与温度压力等传感器直接连接。使用电流型DAC对传感器进行激励，传感器的输出信号经片内128倍PGA放大后进行A/D转换，无需额外的信号调理电路。片内8K FLASH，可在线编程和改写，传感器的标定参数可以在FLASH中存储，节省片外存储器。图3为系统硬件电路图。


图3 nRF905与MCU的电路原理图

软件设计

本系统中的无线数据传输主要由无线数据收发器nRF905、C8051F单片机和显示部分组成。nRF905收发器与单片机之间通过SPI口进行通信。因此，软件设计过程中的重点是nRF905数据的发送和接收过程。

nRF905的数据发送过程

发送数据时的工作流程如图4所示。当 MCU有遥控数据节点时，接收点的地址 (TX- address) 和有效数据 (Tx- payload) 将通过SPI接口传送给nRF905。设计时应使用协议或MCU来设置接口速度。可用MCU设置TRX-CE，并使TX- EN为高电平来激活nRF905的ShockBurst传输。通过nRF905的ShockBurst可使无线系统自动上电，并完成数据包 (应加前导码和CRC校验码) 的数据码发送。


图4 发射数据流程

nRF905的数据接收过程

当系统接收数据时，其接收数据流程图如图5所示。系统的工作过程如下：

首先，在650μs以后，nRF905将不断监测空中的信息。当 nRF905发现有和接收频率相同的载波时，其载波检测 (CD) 被置为高电平；此后，当nRF905接收到有效地址时，地址匹配 (AM) 被置为高电平；当nRF905接收到有效的地址包 (CRC校验正确) 时，nRF905将去掉前导码、地址和CRC位，同时将数据准备就绪位 (DR)置为高电平，并用MCU设置TRX- CN为低电平，以进入standby模式，从而使MCU能够以合适的速率通过SPI接口读出有效的数据；当所有的数据读出，nRF905将AM和DR设置为低电平，以便使nRF905准备进入ShockBurst RX、ShockBurst TX或Powerdown模式。


图5 接收数据流程图

用户界面的设计

本软件采用VB界面设计。将井下接收到并采集后的数据通过单片机显示在PC机上，可以清楚地看到井下的相关数据信息。如图6所示，是一组井下信息采集后通过无线传输的方式，将传感器输出的数据传输到MWD上。

图6中通道1至通道15分别实测井参数量化台阶数转换过后的模拟电压值，其中包括压力、温度、湿度、三轴重力加速度传感器输出值（Gx、Gy、Gz）以及翼肋位移等等。在实际应用中可较为直观地显示出来。


图6 用户交互界面

结论

系统调试成功后，进行了多次数据传输实验。本系统通过了实际数据通信实验的验证，运行稳定，通信可靠，能够实现100米左右的无线通信。从实验数据可知，无线信号在井下传输环境下的损耗远大于室外环境，在同等条件下，误码率主要与距离延伸有关。本系统还可以应用于点对点、点对多点通信的一些实际工作环境中。

作者：西安石油大学井下测控研究所 周静 付浩 河南油田工程院钻井工艺研究所 李星
来源：《世界电子元器件》 2010年02期