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nRF905無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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nRF905無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當(dāng)前信息領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中一個重要的技術(shù)組成,可以實(shí)現(xiàn)特殊環(huán)境連續(xù)不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、事件檢測、事件標(biāo)識、位置監(jiān)測和節(jié)點(diǎn)控制,無線通信模塊的這些特性使得無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景非常廣闊,能夠廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測和預(yù)報(bào)、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、城市交通、大型車間和倉庫管理,以及機(jī)場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領(lǐng)域。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深人研究和廣泛應(yīng)用,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)逐漸深入到人類生活的各個領(lǐng)域而受到國內(nèi)外研究人員的重視。本文設(shè)計(jì)了一種基于Atmega16單片機(jī)和nrf905射頻芯片的無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于低功耗、短距離、小數(shù)據(jù)量的點(diǎn)對點(diǎn)無線數(shù)據(jù)傳輸和交換應(yīng)用。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)無線通訊模塊是由數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊兩個完全相同的節(jié)點(diǎn)模塊構(gòu)成,數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊都選用Atmega16單片機(jī)作為主控制器,由單片機(jī)控制射頻芯片nRF905實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的Atmega16單片機(jī)采集上位機(jī)或數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)字信號,經(jīng)處理器處理后傳送給節(jié)點(diǎn)內(nèi)nRF905無線通信模塊,由無線通信模塊經(jīng)調(diào)制和功率放大后將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)接收節(jié)點(diǎn)通過節(jié)點(diǎn)內(nèi)的nRF905無線通信模塊接收來自數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù),解調(diào)后傳給節(jié)點(diǎn)的主控制器———Atmega16單片機(jī),單片機(jī)經(jīng)過判斷和處理,發(fā)送相應(yīng)的處理命令,完成一次數(shù)據(jù)通信任務(wù)。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無線通信節(jié)點(diǎn)模塊的主控制器選AVR系列的Atmega16單片機(jī),其外圍電路有:RS232電平轉(zhuǎn)換電路、USB接口電路、1602液晶顯示模塊、nRF905無線模塊以及蜂鳴器提示音電路等。

2.1單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用價格便宜的Atmega16單片機(jī)作為主控制器。該系列單片機(jī)是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器,以低功耗特性被廣泛用于各個領(lǐng)域。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間,ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz,從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。該款單片機(jī)內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊,無需專用的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器;同時與傳統(tǒng)的8051單片機(jī)系列相比增加兩個可編程的串行USART接口。該單片機(jī)具有40個引腳,16kBFlash片內(nèi)程序存儲器,1kB的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM),32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口,一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu),3個16位可編程定時計(jì)數(shù)器,2個全雙工串行通信口,片內(nèi)晶振及時鐘電路等功能,完全滿足本系統(tǒng)需求。

2.2無線射頻收發(fā)器

本文設(shè)計(jì)的無線通信模塊采用挪威Nordic公司的nRF905單片射頻收發(fā)器,該模塊采用先進(jìn)的VLSIShockBurst技術(shù),通過將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內(nèi),通過一個SPI接口實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用微控制器的通信,并編程配置接口的數(shù)據(jù)通信速率。nRF905具有ShockBurstRX和ShockBurstTX等多種工作模式,分別是接收模式、發(fā)送模式、關(guān)機(jī)模式和空閑模式;nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP三個引腳決定,可有效降低應(yīng)用的平均電流消耗和對MCU的存儲器需求,具有單片、低電壓、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)硬件電路是以Atmega16單片機(jī)和nRF905模塊為核心元件,由單片機(jī)的I/O端口分別控制nRF905模塊的狀態(tài)接口、模式接口和SPI接口。nRF905的發(fā)送流程:

(1)若單片機(jī)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時,通過nRF905模塊的SPI接口,按時序把數(shù)據(jù)發(fā)送目標(biāo)地址和數(shù)據(jù)傳送給nRF905,可通過器件初始化配置時設(shè)定SPI接口的速率;

(2)單片機(jī)設(shè)置TRX_CE和TX_EN為1,配置nRF905的工作模式為ShockBurstTM發(fā)送模式;

(3)nRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式的工作過程:配置nRF905的射頻寄存器自動開啟;對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包,在數(shù)據(jù)包中增加字頭和CRC校驗(yàn)碼;進(jìn)行數(shù)據(jù)包的發(fā)送;若數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,DR引腳置1;TRX_CE引腳置1,準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù);

(4)AUTO_RETRAN被置高,nRF905重復(fù)(3)步驟的數(shù)據(jù)發(fā)送,直到數(shù)字輸入引腳TRX_CE被置0;

(5)當(dāng)數(shù)字輸入引腳TRX_CE被置0,nRF905發(fā)送過程完成,自動進(jìn)入空閑模式。另外,nRF905的ShockBurstTM工作模式規(guī)定,進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送過程后,將延遲處理TX_EN和TRX_CE的狀態(tài)改變情況,數(shù)據(jù)發(fā)送過程完畢后才進(jìn)行處理。只有當(dāng)前一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢,nRF905才能接受下一個發(fā)送數(shù)據(jù)包的任務(wù)。

2.3RS232接口電路設(shè)計(jì)

無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過串行通信接口與PC機(jī)通信。本文選用RS232串行通信接口,采用的是LVTTL電平標(biāo)準(zhǔn),即2V~3.3V表示邏輯1,0V~0.4V表示邏輯0。由于兩者的邏輯狀態(tài)不統(tǒng)一,所以需對電平信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換才能實(shí)現(xiàn)二者之間的通信,選用MAX3232芯片實(shí)現(xiàn)電平信號的轉(zhuǎn)換。

結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)基于Atmega16單片機(jī)的無線通信系統(tǒng),充分利用射頻無線芯片nRF905的小尺寸、低功耗、低電壓及高速數(shù)據(jù)傳輸性能,通過設(shè)計(jì)合理的通信協(xié)議,提高了系統(tǒng)通信的可靠性。此外,系統(tǒng)可通過在發(fā)送/接收模塊中增加功率放大模塊提高無線通信距離,并保證系統(tǒng)工作的安全性和可靠性,便于投入實(shí)際應(yīng)用,可應(yīng)用到短距離無線傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、生物信號采集和無線遙控等其它一些無線通信領(lǐng)域,以實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的雙向傳輸,具有較好的市場應(yīng)用價值。

作者:歐幸福 陳文鳳 李秀忠 方寧 單位:佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院