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基于nRF905的无线数据传输系统

时间:05-27 来源:互联网 点击:

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

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