基于nRF4O1的无线排队机设计

O 引言
    随着人民群众的生活水平越来越高，排队机在银行、电信、医院、税务等窗口服务性行业使用越来越广泛。根据单片机串行通信原理，采用nRF401无线通信模块的开发了无线排队系统。无线排队系统不但具备原有线系统的所有功能，而且突破了有线排队系统在客户安装使用上的瓶颈等工作。该系统由基于NORDIC公司推出的单片无线收发一体芯片nRF401和基于51系列单片机两部分组成，实际运行取得了良好的效果。

1 系统组成
    无线排队机系统如图l所示，该系统由发号主机、营业员叫号器、主显示屏、窗口显示屏、语音报号器等部分组成。系统的每个组成部分的数据传递采用无线收发模式，通过通信协议使之成为一个无线的排队系统。

2 无线通信原理
    在无线排队机数据通信系统中，单片机之间的数据通信采用一对多的主从模式，利用ISM频段(433 MHz)无线通信。由发号主机负责发送从机(无线主显示屏、无线窗口显示屏、无线叫号器)地址、控制命令及数据，从机则负责收集现场信息，进行一定的数据处理，根据主机的要求返回数据，并执行主机发出的命令。在采用主从式多机串行通信系统中，从机不主动发送命令或数据，一切都由主机控制。由于发送和接收共用同一物理信道，因此在任意时刻只允许一台从机处于发送状态，只有被主机呼叫的从机才能占用总线，对主机作出应答。每台从机均分配有一个唯一的从机地址。主机与从机通信时采用轮流查询方式，主机先呼叫某从机地址，唤醒被叫从机后，主、从两机之间进行数据交换，而末被呼叫的从机则继续处于等待状态。主机发送的信息可以传到多个从机或指定的从机，各从机发送的信息只能被主机接收。为了完成上述功能需通过设置单片机的串口控制寄存器SCON来实现，在此将单片机设置在工作方式3，即SM0=1，SM1=1，且所有从机初始化SM2=1，使所有从机处于监听状态。通信仂议中的规定：
    ①单片机以方式3进行通信，一帧数据的第9位为"1"代表地址帧，为"0"代表数据帧；
    ②设定通信波特率为1200bps；
    ③主机与从机的联络过程：主机下发地址帧，被呼叫从机向主机返回地址帧，以便主机确定与从机联络上了。主机下发控制命令，从机根据命令或接收主机的数据块，或向主机发送数据块；
    ④无线通讯数据块格式如表所示。

   
    Lead为引导字节：Leader=OxFF；
    Header为数据包的命令字节由此确定数据包的类型，见表1；
    Length为数据包包含的Length字节之后的所有字节的长度；
    Data为数据包字节；
    Checksum校验字节。

表1  命令字参数表

    ⑤示例：发送窗口分配的排队号码：
    0xFF 0x34 Ox03 2个字节　　SUM
    2字节分配示意图

    为了实现多机通信，所有发射电路的振荡频率和所有接收电路的振荡频率都必须一致。为保证正常通信，数据传送方向必须为半双工传送，收发器在发射时必须屏蔽自己的接收中断，发射结束后再开放。

3 硬件电路设计
    nRF401是一个基于ISM频率为433MHz设计的单片UHF无线收发一体芯片。该芯片有如下特点：采用FSK(frequency shift keying)频移键控调制方式，具有非常少的外围元件，直接数据输入输出，抗干扰能力强，特别适合工业场合；采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好；无需曼彻斯特编码；工作速度最高可达20 kbps；最大发射功率达+10dBm，使用距离最远可达1000m；工作在ISM频率433MHz和双信道频率433．92M Rz／434．33MHz下，使用不需要申请许可证。
    单片机与nRF401应用连接如图3所示，在本系统中，为避免相互干扰，无线收发部分单独做在一块PCB板上，组成独立的无线收发模块。压控振荡器(VC0)外接22mH高品质因素电感；锁相环(PLL)外接典型单端二阶滤波器；振荡源输入接4MHz晶振；ANT1／ANT2为天线接口，天线设计采用PCB差分天线；CS为频率选择，通过拨盘开关S1选择，CS=0时选择433．92MHz，CS=1时选择434．33MHz，无论何种选择都要使主从机频率一致；PWR UP为节电控制选择，由单片机控制；DOUT为数据输出端口，与单片机串行口数据线RXD连接；DIN为数据输人端口，与单片机串行口数据线TXD连接；TXEN为发送／接收控制端口，由单片机控制，TXEN=0时nRF401接收无线信息，TXEN=1时nRF401发送无线信息。单片机与nRF401的电路连接如图3所示。本系统可编程实现频率的选择和节电模式的控制，为实际的应用提供了方便。实验证明，该无线收发模块的性能良好，全可以满足数据传输的需要。

    窗口显示电路采用8块74LS595串行传输行数据和1块74HC154进行列选控制16块8*8LED点阵进行显示，采用SST公司(Silicon Storage Technology)的高速可编程闪存芯片ST28SF040存储显示字符库。具体电路简单在此不再列出。

4 通信软件设计
    为了避免同频干扰的问题，系统采用分时TDMA(Time Division Multiple Access)技术，把系统发号主机与任意一台从机之问的通信采用时分的方式分开，发号主机通过扫描的方式与各台从机设备进行单台通信，这样系统中的发号主机与从机的通信方式就成为点对点的通信方式。程序采用C51单片机语言编写，其主控程序流程图如图4、图5所示

5 系统软件设计
    一次完整的排队系统运作过程如下：主机等待着顾客按下取票按钮，键盘扫描到按下的键值后，根据取票类型生成排队号，并且读出当前系统时间、排队情况、业务类型等信息，打印成排队票。这时，如果某窗口的操作员服务完一位顾客，按下窗口键盘上的"下一位"，这个信息就会传输给主机，主机根据当前排队隋况和业务情况，将排队序列上能服务的最近客户排队号回应给窗口，窗口键盘收到回应后，立刻更新键盘上的显示为要服务的排队号。同时，主机还把这个排队号发送给部分其他从机：窗口LED显示屏，让它也显示最新的排队号；语音播报从机，让其播报该排队号，以提醒顾客前来服务。发号主机按时间轮流查询各从机状态，并进行控制，其主要处理流程如图6。

6 结束语
    基于nRF401的无线排队系统具有硬件电路简单、成本低廉、编程方便、通信可靠性高的特点，改善了以往有线排队系统安装线路复杂、故障不易排查等问题。本文提出的通信协议能够在多台单片机问安全地传送数据，实现了通信双方非接触式的数据传送，也可用于其他遥控、遥测的单片机应用场合。