基于nRF905的无线数据传输系统

1 引言

在许多测控现场，传统数据传输都是通过有线电缆实现的。随着射频、集成电路技术的发展，无线通信功能的实现更容易，数据传输速率更快，抗干扰能力更强，因此，许多应用采用了无线传输技术。无线数据传输与有线数据传输相比，有诸多优点：一是成本低，省去大量布线；二是建网快捷，只需在每个终端连接无线数据传输模块和架设适当高度天线；三是适应性好，可应用于某些特殊环境；四是扩展性好，只需将设备与无线数据传输模块相连接。因此，无线传输是一种有效数据传输方式。

2 nRF905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433 MHz、868 MHz、915 MHz 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。无需外加声表面滤波器，ShockBurst工作模式，自动处理字头和CRC，使用SPI接口与微控制器通信，配置方便。此外，其功耗低，以-10 dBm输出功率发射时电流仅11 mA，工作在接收模式时电流为12.5 mA，具有空闲模式与关机模式，易于实现功率管理。

nRF905具有两种工作模式和两种省电模式。工作模式包括：ShockBurst接收模式和ShockBurst发射模式。省电模式包括：掉电与SPI编程模式和待机与SPI编程模式。模式选择由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP确定，如表1所示。

nRF905采用Nordic NLSI公司的ShockBurst技术。ShockBurst技术使nRF905能够提供高速的数据传输而无需昂贵的高速MCU进行数据处理和时钟覆盖。nRF905为微控制器提供一个SPI接口，速率由微控制器设定的接口速度决定。在ShockBurst工作模式下，nRF905以最大速率连接减小数字应用部分的速度降低应用平均电流消耗。在ShockBurst接收模式下，地址匹配(AM)和数据准备就绪(DR)信号通知MCU一个有效的地址和数据包，表明各自己接收完成。在ShockBurst发射模式下，nRF905自动产生前导码和CRC校验码，数据准备就绪(DR)信号通知MCU数据传输完成。总之，降低了MCU的存储器需求，即降低了MCU成本，缩短软件开发时间。

nRF905的所有配置是通过SPI接口完成。SPI对外由SCK、MISO、MOSI、CSN 4个引脚组成，对应5个内置寄存器和1个SPI指令集。5个内置寄存器分别是状态寄存器、RF配置寄存器、发送地址寄存器、发送有效数据寄存器、接收有效数据寄存器。某个SPI指令的设置决定了相应的功能。只有当nRF905处于待机或掉电状态，SPI接口才工作。任何一条指令均从CSN的由高到低的转换开始。寄存器操作时，每次只能读／写一个字节，或者先给出读／写的开始字节地址，然后再进行读／写操作。

3 系统设计

3.1硬件电路设计

系统硬件电路是以单片机和nRF905为核心元件，由单片机的I／O端口分别控制nRF905的状态接口、模式接口和SPI接口，如图1所示。其中，单片机选用Microchip公司的PIC16F876，该单片机采用2层流水线结构设计，内置8 KB×14 Flash程序存储器，368 Byte数据存储器，256 Byte EEPROM数据存储器，13个中断源，PORTA、PORTB、PORTC 3个I／O端口，3个定时器和1个看门狗定时器，2个CCP模块，支持串行USART模块等，适用于无线传输系统的控制，同时，系统具有良好的电源管理，设计了LC-π型滤波电路，可有效隔离数字电路与nRF905电路的电源。

另外，系统还加强了PCB的电磁兼容性设计。采用了双面板设计，并保留底层作为接地面；电源滤波电容尽量靠近nRF905放置，采用电容并联方式；nRF905所有的电源和旁路电容的接入点都要尽量靠近引脚；接地引脚直接通过孔与底面的地层连接；所有的开关数字信号和控制信号都远离晶体振荡器和电源线。

3.2通信协议设计

nRF905内置简单的通信协议，收发双方采用CRC校验。一旦CRC校验出错，当前数据就会丢失。因此，在内置协议的基础上，设计了完整通信协议。该协议由单片机软件控制实现，采用误码--中断--重发机制，如果通信中出现误码，单片机在正常的通信流程中产生中断，重新发送和接收刚才CRC出错的数据，确保通信成功。根据收发两端的不同任务，整个协议分为主控协议和从控协议。

无线通信协议是由单片机软件控制实现的，相据通信双方各自的特点分为M端协议和S端协议两部分。其中，M端协议在无线通信协议中具有主控作用。

3.2.1 M端协议设计

M端协议主要是从保证可靠接收的角度考虑，程序流程图如图2所示。采用nRF905的CD／AMDR信号作为状态查询，进行正常状态下的快速判断和接收。正常情况下，当M系统发送控制指令后进入接收模式，等待来自S系统的数据。与此同时，S系统在