基于51单片机的无线数据传输系统设计

1 引 言

随着计算机、通信和无线技术的逐步融合，在传统的有线通信的基础上，无线通信技术应运而生，他具有快捷、方便、可移动和安全等优势，所以广泛应用到遥控玩具、汽车电子、环境监测和电气自动化等。

在一些特殊应用场合中，单片机与上位机之间通信不再采用有线的数据传输，例如采用有线的串、并行总线、I2C和CAN总线等，而是需要无线数据传输，本文介绍了基于nRF905无线收发模块的实用单片机无线传输系统的设计。

2 无线收发模块nRF905

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9～3.6 V，32引脚QFN封装(5×5 mm)，工作于433／868／915 MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650μs。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA，工作于接收模式时的电流为12.5 mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。

3 芯片结构及工作模式

nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器、功率放大器等模块，曼彻斯特编码／解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。

nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nRF905的工作模式由TRX_CE，TX_EN和PWR_UP三个引脚决定，详见表1。

 与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行，数据速率由微控制器配置的SPI接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在nRF905中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，有利于节能。由于nRF905工作于ShockBurstTM模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。在ShockBurstTM接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。在ShockBurstTM发送模式，nRF905自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知，nRF905的ShockBurstTM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。　　

4 器件配置

所有配置字都是通过SPI接口送给nRF905，SIP接口的工作方式可通过SPI指令进行设置，当nRF905处于空闲模式或关机模式时，SPI接口可以保持在工作状态。

(1)SPI接口配置

SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。

(2)射频配置

设CH_NO中的值为a，HFREQ_PLL中的值为b，则nRF905的工作频率由公式：

所决定。若nRF905的工作频率取433.20 MHz，则口a=108，b=0。

射频寄存器的各位的长度是固定的。然而，在Shock-BurstTM收发过程中，TX_PAYLOAD，RX_PAYLOAD，TX_ADDRESS和RX_ADDRESS 4个寄存器使用字节数由配置字决定。nRF905进入关机模式或空闲模式时，寄存器中的内容保持不变。
 
 5 电路设计

nRF905在使用中，根据不同需要，其电路图不尽相同，图1所示为其应用原理图，该电路天线部分使用的是50 Ω单端天线。在nRF905的电路板设计中，也可以使用环形天线，把天线布在PCB板上，这可减小系统的体积。更详细的设计可参考nRF905的芯片手册。

nRF905通过SPI接口和微控制器进行数据传送，通过ShockBurstTM收发模式进行无线数据发送，收发可靠，使用方便，在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。

对于射频芯片nRF905的寄存器操作是个很关键的问题。由于采用了SPI协议，在配置寄存器过程应用指令及Pl中模拟时钟上升沿时，很容易出现移错位及时钟上升沿无效的情况。SPI接口有4个信号线：MOSI，MISO，SCK，CSN，分别为输入线、输出线、时钟线、配置使能线。SPI的通信时序如图4所示。

 
8 系统的参数测量

无线通信在自由空间中传播距离的计算方法：所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，他是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。

通信距离与发射功率、接收灵敏度和工作频率有关：

式中Lfs(单位：dB)为传输损耗，d(单位：km)为传输距离，频率f的单位以MHz计算。由上式可见，自由空间中电波传播损耗(亦称衰减)只与工作频率f和传播距离d有关，当f或d增大一倍时，[Lfs]将分别增加6 dB。

下面的公式说明在自由空间下电波传播的损耗：

Los是传播损耗，单位为dB；d是距离，单位是km；f是工作频率，单位是MHz。

本系统的无线收发模块nRF905选择工作在第一频道为433.2 MHz，发射功率为+10 dBm(10 mW)，接收灵敏度为-105 dBm的系统在自由空间的传播距离：

(1)由发射功率+10 dBm，接收灵敏度为-105 dBm：
　　Los=115 dB

(2)由Los，f计算得出：
　　d=31 km

这是理想状况下的传输距离，实际的应用中会低于该值，这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响，如大气、阻挡物、多径等造成的损耗，将上述损耗的参考值计入上式中，即可计算出近似通信距离。

假定大气、遮挡等造成的损耗为25 dB，可以计算得出通信距离为：
　　d=1.7 km=1 700 m

9 影响无线通信距离的主要因素

图6是一个无线通信系统的信道模型，在工作频率固定的前提下，影响工作距离的主要因素包括发射功率、发射天线增益、传播损耗、接收天线增益、接收机灵敏度等，通过加大发射功率，提高天线增益，提高接收机灵敏度均起到提高通信距离的作用，在影响无线通信距离的以上几个因素中，作为设计者可以控制的因素有：接收灵敏度、RX一天线增益、发射输出功率。不能控制的因素是由无线电波的特点所决定的，主要有：传输损耗、路径损耗、多径损耗、周围环境的吸收。

在设计者可以控制的因素中，接收灵敏度、天线增益、发射功率都是可以作为提高通信距离的手段。

无线传输系统具有体积小、抗干扰能力强、数据安全可靠、无需布线、维护方便等优点，将会在各领域中带来广泛的市场。本系统结构简单，但这并没有影响系统的性能和用途。他可应用到遥控、遥测、汽车电子、安全防火、生物信号采集、环境监测和电气自动化等领域。