芯片nRF905（共7篇）
芯片nRF905 篇1
0 引言
目前,在丘陵山区农田耕作中,机耕船是普遍使用的农业机械,但其耕作过程中操作者需下田操作且劳动强度很大。因而,常有学者称 “机耕船解放了牛,累死了人”。
机耕船亦称船式拖拉机,是我国独创的一种水田动力机械,通常由柴油机、船体、耕作机具3大部分组成,它适用于平原、湖区、丘陵、山区等各种不同类型的水田和沿海地区的滩涂田机耕作业,尤其是在拖拉机无法作业的深泥脚田可以很好地进行工作。
近年来,在丘陵山区,农机推广部门引进机耕船用于水田耕作,取得了一定的宣传效果;但在实际运用中,由于常用机耕船为乘坐式,质量大,转移难,不适应于丘陵梯田、小块田的耕作需要。
随着现代农业的不断发展,人们对农业机械自动化的需求越来越强,研制一种可以替代机耕船用于丘陵地区水田耕作的机械无疑是一个重要而又紧迫的课题。
在这种背景下,笔者参与设计了一种遥控机耕船。它采用6.3kW的柴油机:后置可拆卸(田间转移方便)旋耕刀组,可装拆扶手(扶手由于田间转移操作);整机质量控制在100kg,经测试可适应于丘陵山区梯田的耕作需要。
在小型遥控机耕船的设计中,灵敏可靠的无线通信是关键技术之一。为此,本文基于PC2132单片机和nRF905芯片,设计了一种无线传输系统,并进行了测试。
1 遥控机耕船的方案及工作原理
在遥控机耕船的设计中,LPC2132是整机控制MCU,nRF905是无线传输芯片。遥控机耕船控制系统如图1所示。
安置在机耕船体上的传感器采集机耕船的位置、速度、工作状态等信号传递给MCU,MCU通过通讯模块与人实现机器控制信号的交互。
2 无线通讯系统的硬件设计
2.1 芯片介绍
nRF905单片无线收发器工作于433/868/915MHz3个ISM(工业、科学和医学)频道,频道之间的转换时间小于650μs;工作电压为1.9～3.6V,32引脚QFN封装;自动产生前导码和CRC校验码,可以很容易通过SPI接口进行编程配置;外围器件连接简单,无需外部SAW滤波器[1]。无线通信系统,由两个终端组成:终端1和终端2。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发送模式和ShockBurst RM接收模式,两种节能模式分别是掉电模式和STANDBY模式。nRF905的工作模式由TRX_CE,TX_EN,PWR_UP3个引脚的设置来决定,引脚功能如表1所示。
2.2 通讯子系统方案设计
为了实现通讯数据测试的可见行,本设计及实验中采用如图2所示的无线通讯系统。它由两个终端构成,终端内部之间的数据的传输通过串口来实现。发送端通过PC机(手持仪)串口给MCU(ARM7- LPC2132单片机)发送数据,然后MCU通过nRF905 把数据发送出去;接收终端通过nRF905接收数据,然后通过MCU把接收到的数据通过串口传给接收端PC机(手持仪)。
3 无线系统的软硬件设计
3.1 系统的硬件设计
此系统主要由接收终端及发送终端组成,各部分主要由主芯片、液晶显示系统和RS232串口等各功能模块组成。射频收发器为Nordic VLSI公司的nRF905,工作电压为1.9～3.6V。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器和晶体振荡器组成,不需外加声表滤波器;高抗GFSK调制,数据速率为50kps,独特的载波监测输出、地址匹配输出和数据就绪输出ShockBurstTM的工作模式;自动处理字头和CRC,使用SPI接口微控制器通信,配置非常方便。此外,其功耗非常低。nRF905提供CD检测端,CD端可以指示载波检测,当空间有同频载波时,通知主控单片机暂时停发数据,因而避免信号的空中冲突[2]。
nRF905的硬件连接图如图3所示。
3.2 系统的软件设计
软件设计主要是由ARM7-LPC2132单片机的I/O口设置以及程序的调试为主,调试使用的软件是Ads1.2 。
LPC2132对nRF905的控制首先要对内部配置寄存器进行正确的设置。在此次程序设计中选择nRF905的工作频段为433MHz,输出功率为+10dBm,正常工作模式,不重发数据包,发送和接收地址为4个字节,发送和接收的有效数据位宽度为32个字节。nRF905的晶体振荡频率为16MHz,CRC的校验位为8位。nRF905提供SPI口的读写指令,当CSN为低时,SPI接口开始等待1条指令,任意条新指令均由CSN由高到底的转换开始[3]。下面主要介绍nRF905的发送流程和接收流程。
3.2.1 发送流程
1)当微控制器有数据要发送时,先检测CD端口,如果没有载波出现,则通过SPI接口,按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给nRF905。如果检测到CD载波信号,转到接收流程。
2)微控制器置高TRX_CE和TX_EN,激发nRF905的ShockBurstTM发送模式。
3)nRF905的ShockBurstTM发送:射频寄存器自动开启数据打包,发送数据包。当数据发送完成,数据准备好引脚被置高。
4)当TRX_CE被置低,nRF905发送过程完成,自动进入空闲模式。发送流程如图4所示。
ShockBurstTM工作模式保证,一旦发送数据的过程开始,发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕,nRF905才能接受下一个发送数据包。
3.2.2 接收流程
1)当TRX_CE为高、TX_EN为低时,nRF905进入ShockBurstTM接收模式。
2)650μs后,nRF905不断监测,等待接收数据。
3)当nRF905检测到某一频段的载波时,载波引角置高。
4)当接收到一个相匹配的地址,地址匹配引脚被置高。
5)当一个正确的数据包接收完毕,nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位,然后把数据准备好引脚置高。
6)微控制器把TRX_CE置低,nRF905进入空闲模式。所有控制器等待数据进入,SPI准备发送。
7)微控制器通过SPI口,而后把数据转移到微控制器内。
8)当所有的数据接收完毕,nRF905把数据准备引脚和地址匹配引脚置低。
9)nRF905此时可以进入ShockBurstTM接收模式,发送模式或关机模式[4]。接收流程如图5所示。
LPC2132的串口通讯程序设计,主要是设定传输的速率为4800bps,数据传输为8位数,1个停止位,无奇偶校验。根据相应的发送端和接收端来设定发送模块和接收模块使能。在PC机软件设计中,串口通信模块负责PC机与下位机之间的数据通信。
4 实验测试分析
在发送和接收时利用示波器和万用表对nRF905的相关引脚进行测量结果如表2和表3所示。
5 结论
本设计实现了基于LPC2132和nRF905的无线通信。本系统主要用于无线机耕船的控制,采用PCB板自带天线时,无线通信的距离可达80m,通过发送端发送数据,在接收端能正确接收数据并显示在PC机上或手持仪上的液晶上。如果使用阻抗匹配良好的外置天线,视距传输距离可达300m以上。实验表明,该系统充分说明了nRF905的性能良好,实时性好,实用性强。在此基础上还可以实现无线遥控遥测,无线抄表,工业数据采集,机器人控制等[5]。
参考文献
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[5]郝妍娜,洪志良.基于MCU和nRF905的低功耗远距离无线传输系统[J].电子技术应用,2007(8):44-47.
芯片nRF905 篇2
单片机是科技发展的产物,通过单片机实现实时信息通信是当今讨论的热门话题。实时信息通信在工业遥控、石油钻井、城市管网压力、温度监测及智能家电等领域都有广泛应用[1,2,3]。本文设计的一种基于单片机控制n RF905的无线通信系统,不仅省去设备之间的物理线路连接,简化了施工难度和系统复杂度,而且扩展性好,维护上更容易实现,并大大降低了成本。
1 系统结构及功能
此无线控制系统由发送模块和接收模块两大模块组成,系统结构框图如图1所示。其中PIC单片机[4,5]控制n RF905发送系统采集的信号,是系统的发送模块,当设置好正确的配置字,发送使能信号被相应的置位后,发送模块就可以按照预先设计好的工作方式发送数据。而由MSP单片机控制n RF905组成接收模块[6,7],负责系统信号的接收,通过单片机给相应的接收模块进行配置字设置,即保证接收模块和发送模块工作性能匹配,包含工作频率相同、数据存储地址一致等,这些参数吻合后接收模块就可以接收发射模块发射的数据。因此该系统的核心器件是低功耗8位RSIC结构PIC单片机和16位MSP430单片机及Nordic公司推出的无线射频模块n RF905。
2 系统硬件设计
2.1 系统微控制器
发射模块的微控制器是由美国Microchip公司生产的高性能、低功耗8位PIC16F877A单片机[8],其具有高性能RISC CPU结构、非易失性程序和数据存储,8级深度的硬件堆栈,片内可靠运行的RC振荡器,低功耗高速CMOS FLASH/E2PROM工艺,并采用全静态设计,SPI可实现单片机与其他外围器件或不同单片机之间串行数据通信。
MSP430系列单片机[9,10,11]是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。强大的处理能力的MSP430系列单片机是一个16位的单片机,采用了RISC CPU结构,具有丰富的寻址方式(7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址)、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令;有较高的处理速度,在8 MHz晶体驱动下指令周期为125 ns,这些特点保证了可编制出高效率的源程序。
本系统收发模块选择不同型号的、低功耗的微控制器的目的:一是为保证系统良好的移植性,在条件不允许情况下,搭建系统的选择性就会更加广泛;二是在保证实时控制的前提下,系统功耗更低,尤其适用于像本系统一样对功耗要求比较严格的设计。
2.2 无线射频模块
n RF905采用Nordic公司的VLSI Shock Burst技术。Shock Burst技术使n RF905能够提供高速的数据传输,而不需要昂贵的高速MCU进行数据处理/时钟覆盖。可以自动完成处理字头和CRC(循环冗余码校验)的工作,可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码,使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便,其功耗非常低,以-10 d Bm的输出功率发射时电流只有11 m A,在接收模式时电流为12.5 m A。n RF905单片无线收发器由一个完全集成的频率调制器,一个带解调器的接收器,一个功率放大器,一个晶体震荡器和一个调节器组成。其Shock Burst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC,可以很容易通过SPI接口进行编程配置。
n RF905配置简单,功耗低、速率快,利用廉价的微控制器就能开发使用,开发周期短、费用低是无线控制系统的理想选择。
3 系统软件设计
用C语言编译器开发单片机系统具有使用方便、编程效率高以及仿真调试容易等突出特点。该系统的重点是控制n RF905的程序设计,首先对n RF905进行初始配置,配置完成后按需要编写用户数据的发送和接收程序。
3.1 PIC控制的发送模块
发送系统由PIC单片机n RF905组成。PIC单片机通过SPI串行端口与n RF905进行通信连接。n RF905的SPI总线是Motorola提出的一种同步串行外设接口,是一个环型总线结构,具有信号线少、协议简单、传输速度快的特点。其CSN、SCK、MISO、MOSI端口通过连线连接到PIC单片机的SPI通信口RC5、RC4和RC3引脚,因此可以使用硬件控制。
3.1.1 PIC的SPI初始化
发送程序首先是PIC单片机SPI总线进行初始化,初始化程序如下:
由以上代码可看出PIC首先是对同步串行口控制寄存器和状态寄存器进行初始化,初始化使单片机工作在主控方式,输出时钟为1 MHz,空闲时时钟停留在高电平(为了和n RF905相匹配),允许串行口工作,无冲突无溢出输出数据末采样输入数据,串行时钟在SCK的上升沿发送数据,缓冲器仍为空。初始化还使相应的端口初始化和屏蔽所有中断,片选禁止等等。
3.1.2 给n RF905写配置字
在向n RF905写数据时的操作如图2所示。即通过MOSI端口把写命令写入n RF905的存储区,写命令找到相应的存储块并将其使能,接着在时钟的配合下被写的数据就按照写入的先后顺序写入存储区内。
在写n RF905配置字的时候时序问题是不能忽略的,如图3所示是写操作时序图。据此图可得知,n RF905的SPI工作时片选必须是低电平,时钟的上升沿采样输入数据。
本系统中n RF905的配置字内容如下:
根据这些取值可知本系统发送模块选用频率段为433 MHz、发送功率为10 d Bm、自动重发数据、发送接收地址有效宽度都为1 B等。配置字很重,它是收发模块实现正常通信的密钥,在设置被配置位时一定要注意收发模块的相关性。
3.1.3 写发送地址
写发送地址命令为0X22,此操作必须按照图2所示的规范以及满足图3所示的时序关系。本系统采用的发送地址是0XCC,0XCC,0XCC,0XCC,这是和接收模块通信的关键,只有地址匹配无线收发模块才能实现正常通信。
3.1.4 写发送数据且开始发送
写发送数据命令为0X20,此步操作是本系统的核心,发送数据是携带操作指令的载体,只有在发送数据合法化,既保证每次最多只能发4个数据,否则接收就会出现错误。本系统采用的发送数据如图4所示。
模式控制接口由TRX-CE、TX-EN和PWR组成,控制n RF905的四种工作模式:掉电和SPI编程模式;待机和SPI编程模式;发射模式;接收模式。各种模式的控制如表1所示。
根据表1,编写的转换成发射模式的程序为:
至此,整个发送流程从写配置字、写发送地址、写发送数据到转换成发送模式都已完成,接下来就是要编写接收模块的程序。
3.2 MSP430控制的接收模块
接收模块是由MSP430和n RF905组成的,和发送模块一样,MSP430也是通过SPI接口完成与n RF905的通信过程的。下面来讨论程序实现接收的整个过程。
3.2.1 SPI初始化配置
和前面的讨论类似,首先对MSP430的SPI进行初始化,初始化程序为:
在接收模块中P3用于SPI,SPI工作在主模式。UCLK时钟信号被延迟半个周期后用作SPICLK信号、数据在UCLK的上升沿输出,输入数据在UCLK的下降沿输人,选择SMCLK作为时钟源,3线SPI模式。
3.2.2 写配置字
写配置字程序的过程和发射模式大同小异,不再详述。
3.2.3 接收模式以及接收数据
从表1可知,要实现接收模式,其相应的PWE和TRX-CE必须为1,而相应的TE_CE为0即可实现,MSP语法规则和PIC的有差异,其相应的程序为:
现在接收模块已经进入接收状态,接下来要做的就是从存储模块中读取接收到的数据。写操作要按照严格的时序进行,读操作也不例外,相应的读操作时序如图5所示。读数时片选位必须工作在低电平,n RF905在SPI时钟输出的下降沿采样数据,操作指令在数据的上升沿采样数据。请注意这和写数据不同,在读数据的同时必须向n RF905写入数据,这样n RF905才能正常工作。按照以上描述,给n RF905读接收数据指令0X24,就可以接收到数据,十进制数值如图6所示,据图可知接收数据和发送的数据一样,实现了正常无误的通信。
4 结语
以上无线控制系统的设计具有高速率、低功耗等优点,而且整个系统外围元件少、调试方便、软件工作量小。特别适用于遥控、工业数据采集、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、信息家电、生物信息采集等领域。
参考文献
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芯片nRF905 篇3
窗帘是日常生活工作中必不可少的用品之一,并且在图书馆、商厂、教室、住宅等场合被大量使用,传统的窗帘必须手动去开关,特别是别墅、高档写字楼、展览馆、大型会议室的窗帘大、长、重、分布广,开启和关闭时的工作量大且极为的不方便。随着科学技术的发展和人民生活水平的日益提高,人们对自动化程度的需求增加,为适应现代化办公和家居生活智能化的需求,设计了一款基于NRF905无线收发器的无线窗帘控制器。
2 系统结构及硬件电路
本控制器主要包括五个部分:单片机控制部分,NRF905无线传输控制部分,手动控制部分,电压变换部分,电机控制部分。以宏晶公司的STC12LE5616AD单片机作为控制核心,采用挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片N R F 9 0 5单片无线收发器作为无线通信器。单片机将控制命令由NRF905传送到电机控制电路以控制电机的正反转,从而实现对窗帘开/关的控制。具体流程如下:当控制按键被按下后,单片机控制器A检测到相应动作,并将相应的控制命令写入N R F 9 0 5,NRF905将此数据处理后发送出去;当接收端的NRF905收到发送端发来的数据后,先将数据解析,然后再将解析后的数据送入单片机控制器B,由单片机控制器B进行分析后指挥电机控制电路执行相应动作控制交流电动机,以达到开/关窗帘的目的。
(1)应急手动工作模式:当无线控制系统失灵时,用户仅仅需要通过按动接收控制器上的开/关两个按钮即可以控制电机的正反转从而控制窗帘开/关,并且可以随时停止该操作,以使窗帘可以停在任意位置。并且轨道上配以行程开关,当窗帘到位后,会自动切断电源,以达到对控制电路保护的目的。
(2)无线控制模式:在此模式下,使用者可以通过无线发送控制器对窗帘的开/关进行控制,简单的讲通过无线控制器可以实现上述应急手动模式的全部功能。
2.1 电压输入变换电路
由于本系统各部分对输入电压的要求不同,采用三端稳压芯片LM7805和低压差电压调节器LM1117对电压进行变换以满足不同部分对电压的需求,如下图1所示,VDD为12V,由外部开关电源输入,为电路中的电磁继电器的线圈提供电压和作为7805的输入,VCC为5V由三端稳压芯片L M 7 8 0 5输出,为低压差电压调节器LM1117提供电源,输出为3.3V为STC12LE5616AD单片机及NRF905提供电源。
78系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。
LM1117提供电流限制和热保护且精度在±1%以内,并且具有多种封装形式,基本上可以满足各种需求。
2.2 电机驱动电路
图3所示设计部分采用两个12V的欧姆龙G5RL-1A型电磁继电器来实现强弱电的分离,使得控制部分使用弱电便可以控制2 2 0 V的交流电动机的工作状态,由单片机的P2.1、P2.0引脚控制ULN2003A的导通,从而控制相应继电器的导通,最终控制电机的运行状态[1]。
G5RL-1A型继电器额定电压12V动作电压为额定电压的75%(最大)复位电压为额定电压的15%(最小),最大容许电压为额定电压的90%-110%,额定电流33.3mA,线圈电阻360欧姆。触点瞬间耐压可达10000V,耐冲击,寿命长。采用12V的继电器来控制220V更稳定可靠。
采用一片ULN2003A做为电机控制电路的核心器件,其管脚驱动电流最大可达3 5 0 m A,既可以保证对继电器的有效驱动又可以防倒灌电流过大而烧毁单片机。
D1、D 2为两个泻放二级管,保证继电器掉电后触点能够有效的断开。保证电机不会因堵转而烧毁。
2.3 手动控制部分
当无线控制器失灵的时候可以通过按动按钮S 1、S2便可以实现手动控制窗帘的开/关。如图4所示。
2.4 NRF905无线遥控部分
从控制范围和稳定性方面考虑,本控制器采用挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片NRF905单片无线收发器作为无线通信器。nRF905是单片射频收发器,工作电压为1.9-3.6V,工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道。频道之间的转换时间小于650μs,芯片可靠性高,芯片内部由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成;有ShockBurstTM工作模式,自动处理字头和CRC(循环冗余码校验),使用SPI接口与单片机通信,配置非常方便。此外,其功耗非常低,以-1 0 d B m的输出功率发射时电流只有1 1 m A,工作于接收模式时的电流为1 2.5mA,内建空闲模式与关机模式,功耗低。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线钥匙、无线监测、家庭自动化和玩具等领域。
NRF905的SPI接口由4条线构成:MOSI主机输出从机输入(主机写操作)、MISO主机输入从机输出(主机讲读操作)、SCK串行时钟信号和CSN片选信号(低电平有效)。对NRF905寄存器配置的软件编程控制如下:
对SPI写操作有3步:MOSI线准备好,需要发送的数据位;SCK=1器件读取MOSI线上的数据信号;SCK=0,准备发送数据的一位。以上步骤循环执行8次,通过SPI向NRF905发送数据就完成了。
对SPI读操作也有3步;MISO线准备好需要发送的数据位;SCK=1,主机读取MISO线上的数据;SCK=0,准备接收数据的下一位。以上步骤手环执行8次,通过SPI从NRF905上读数据完成。
配置寄存器操作有4步:CSN置低电平,SPI接口开始等待第一条指令;调用SpiWrite函数,向NRF905发送WC指令,准备写入配置信息;反复调用SpiWrite函数,向寄存器写入配置信息;C S N置高电平,结束SPI通信[2]。
(1)无线发射部分
通过控制发射部分的按键S3和S4可以无线控制电机的正转与反转从而控制窗帘的开/关。当单片检测到按键被按下后经处理分析,将控制命令通过发射部分的NRF905发给接收部分的NRF905,发送时自动处理字头和C R C检验。以保证传输的安全性和稳定性。图5所示为发射部分的整体电路图。
(2)无线接收部分
接收部分的N R F 9 0 5将收到的数据后检查字头和CRC检验没有问题后将数据解析后输入到单片机中,单片机对收到的数据进行处理、分析后执行相应的命令,以控制电机的正反转。从而实现对窗帘开/关的控制。图6所示为接收部分的整体电路图[3]。
3 系统软件设计
3.1 NRF905接收部分流程图
如图7(a)所示。
3.2 电机控制部分流程图
如图7(b)所示。
4 结束语
本文所设计的基于NRF905的无线窗帘控制器已经成功的应用在实际生活生产中,并且具有很强的抗干扰能力,通信距离可达百米以上,灵活性强,安装方便,可靠性高。因此本控制器在生活、办公等领域具有广泛的应用前景。特别是在智能家居及大型场所方面应用前景更为广泛。
参考文献
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芯片nRF905 篇4
随着社会信息化步伐的加快,远程监护的前景非常广阔,作为整个远程监护系统的终端,人体生理信号检测装置正得到越来越多的研究[1]。本文所介绍的无线健康监测系统,采用穿戴式检测方式,只要将传感器节点设备固定在耳廓上,就可以实现脉搏、体温等生理信号的实时监测。与传统的监测装置相比,本系统具有小型化、功耗低的特点,穿戴式检测和无线数据传输的方式,使被测对象的活动不受约束,适合长期连续监测。无线射频部分使用挪威Nordic VLSI公司的单片射频收发芯片n RF905,此芯片工作在433/868/915MHz频率下,最大发射功率10m W,符合国家关于微功率无线电设备在医学遥测方面的规定。
一、系统结构
整个系统如图1所示包括传感器节点设备、接收器及用于数据处理与显示的计算机。传感器节点设备穿戴于人体,将采集的生理信号通过无线方式发射出去。接收器收到数据后,通过通用串行总线(Universal Serial Bus USB)USB接口将数据送往计算机,通过软件实现数据的处理、显示、保存等操作,对于某些特定的生理指标变化还具有报警功能。由于n RF905无线数据传输速率达到50kbp/s,而且具备自动地址匹配功能,因此通过分时工作方式,可以扩展实现点对多点的数据通信,从而实现低成本的扩容。
二、硬件设计
1. 传感器节点设备
传感器节点设备集成了传感器、模拟信号处理电路、微控制器、无线收发器和电源部分,结构紧凑,只有一个特殊的防水接口用作传感器连接或电池充电。由于是穿戴于人体,因此在选择器件的时候,除了传统设计中需要考虑的性能和成本等因素,体积小、功耗低是非常重要的[2]。
供电电路。系统采用能量效率高的锂离子电池供电,容量为200m Ah。所有器件均工作在3V电压,采用适当的采样率和待机控制,发射电路平均电流不超过4m A,整个电路平均电流不超过8m A,传感器节点设备可以连续工作24小时以上。人体信号是典型的弱信号,对电源噪声很敏感,电源走线采用星型结构,电路各部分电源均设置去藕电容,采用2路电压调整电路,对无线部分电路单独供电,以减少电源噪声对信号的干扰。
生理信号采集电路。主要采集脉搏波和体温信号。当一定波长的光束照射到皮肤表面时,皮肤和肌肉等部分对光的吸收是恒定不变的,而血液容积呈脉动性变化,使光电接收器接收到的光强度随之呈脉动性变化,将此光强度变化信号转换成电信号便可获得容积脉搏血流的变化。容积脉搏血流中包含有心搏功能血液流动等诸多心血管系统的重要生理信息,还包含有丰富的微循环生理病理信息,是研究人体循环系统重要的信息来源。采用TAOS公司集成跨阻放大器的光电传感器替代光敏二极管或光电池等传统接收器件,可以提高前级的抗干扰能力,抑制外界电磁信号对原始信号的干扰,还可以减小电路体积。体温的测量采用Melexis公司生产的MIX90614红外温度传感器,红外温度测量是通过热辐射原理的非接触式温度测量方式,与接触式温度测量相比,不会干扰测量对象的温度场、响应速度快、精度高,直接输出完全线性化的并已对环境温度进行补偿的数字温度。该器件具有2种温度输出方式:数字PWM输出及SMBus接口输出,体积小巧、使用方便。在温度范围为+32~+42℃时,测量的绝对精度为±0.2℃,因此非常适用于人体温度测量。
微控制器。微控制器采用TI公司的MSP430混合信号处理器,具有16位精简指令集的微控制器,16位定时器,集成了运算放大器、DA转换和AD控制功能,具有I2C和SPI接口,还有多达5种低功耗模式[3]。脉搏波原始信号经过集成的运算放大器放大后,直接输出至AD的输入端采样,并通过DA调节发光强度,控制输出信号的变化范围。通过I2C接口对红外温度传感器的寄存器进行设置,并定时读取温度数据。
射频部分电路。射频收发芯片n RF905具有载波监测输出,地址匹配输出,就绪输出功能,内置完整的通信协议和CRC校验,抗干扰能力强,无线通信只需通过同步串行接口(SPI)即可完成,控制方便。片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器和功率放大器等模块,VCO电感也集成在内部,外部仅需很少的元件。电路设计比较简单,天线匹配电路可以按照参考电路进行设计,Nodic公司给出了不同频率及天线类型下的电路设计和元件参数。
与无线数据包有关的高速信号处理都由n RF905在Shock Burst TM模式下自动完成,无线数据以曼彻斯特码方式传输,编码和解码的工作都由片内硬件完成,用户无需干预,因此使用非常方便,还提高了效率与可靠性。发射模式下自动产生数据包的格式信息,如用来识别数据包开始的数据头和CRC校验码,当发送过程完成后,数据就绪(DR)引脚通知微控制器数据发送完毕。接收模式下,微控制器可以通过载波检测(CD)引脚得知发射器是否工作,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DR两引脚的状态会发生变化。
2. 接收站
接收器通过USB接口与计算机相连,共同组成数据接收服务器。根据需要,计算机可以是专用计算机、台式微机或便携式微机。其中,专用计算机可以用于医院或其它专门的医疗机构,台式微机可以用于家庭或其它非专业场合,便携式微机可以用于户外的实时监测,如运动时的监测等。对于不同性能不同功能的计算机,可以提供相应的软件支持。
接收器。接收器主要负责按照规定的无线传输协议和发射器通讯,保证数据的实时接收,将接收到的数据通过USB接口送到计算机。电路包括射频部分、微控制器和USB接口电路,直接通过USB接口供电。射频部分的电路及控制和发射器基本相同,不做详述。
USB接口电路。本系统U S B接口电路使用的是Cygnal公司集成USB功能的微控制器C8051F320,具有电压调整器和12MHz高精度可编程的内部振荡器。集成的通用串行总线控制器符合USB2.0规范,可以全速或低速工作,集成了收发器和8个端点。包含内部匹配和上拉电阻,上拉电阻可以被用软件使能/禁止,可以根据软件选择的速度设置。通过USB接口电路,可以实现微控制器与计算机的高速通信。USB总线可为连接在其上的设备提供5V电压/100m A电流的供电,而通过微控制器的3V输出引脚,可以直接得到微控制器和射频电路需要的3V电压。
三、软件设计
单片机软件设计。单片机软件主要实现对硬件的控制,完成生理参数从人体到计算机的传送过程,为了保证数据传送的实时性以及降低功耗的目的,基本不对数据进行分析处理。单片机软件分为发射端和接收端,发射端软件主要完成生理参数的采集与发送。
上电之后,需要对n RF905的寄存器做一些基本设置,包括无线通信的频率、数据包长度、接收及发送地址码、校验码长度等。地址码最多可以有4个字节,具体值的确定需尽量符合直流平衡的要求,如采用二进制的01010101等,这样可以获得更好的通信效果。采用短数据包可以降低误码率达到更好的通信效果,n RF905的数据包长度最大为32字节,根据实际应用情况设置数据包长度,生理信息数据包长度设为32字节,命令信息数据包长度设为2字节。
发送端由于是电池供电,要求功耗尽可能低,应用MSP430的低功耗模式,数据采样和无线通信都在中断程序中完成,平时处于待机状态。系统启动后,首先进入功耗很低的等待状态,以1/20的低占空比定期唤醒等待接收主机命令,如果收到数据请求命令则进入数据传输状态。根据生理信号的采样率要求,在定时中断程序里完成AD采样,用两个缓冲区轮流存放数据,一个缓冲区存满之后将n RF905设为发射状态,通过同步串行中断程序发送。1秒的采样数据大概200字节左右,分成7小包发送,每次发送30个字节的数据。发送就绪后将n RF905设为接收状态,等待8ms,如果收到应答信号则发送下一小包数据,直至发送完成。如果没有收到应答信号,则重复发送当前数据包。所有数据发送完成后,将n RF905设为待机状态,直到下一次发送。
接收端由计算机供电,对功耗要求不高,主要考虑实时性问题,因此无线接收芯片始终处于活动状态。无线芯片平时处于接收状态,当微控制器检测到接收数据时,通过SPI接口读出数据并发送应答信号,经过有效性验证将正确的数据通过USB端点2传送到计算机。
计算机软件设计。计算机软件运行于Windows操作系统,以Visual C++为开发工具,分为USB接口通信程序和数据分析应用程序。USB通信程序通过驱动程序提供的接口从USB总线得到数据,应用程序将脉搏与温度数据分开保存并处理,可以实现点对点的监测,根据需要可以进一步扩展实现多点监测或远程监测。
四、结束语
社会的发展正使人们的生活方式发生主动或被动的改变。一方面,越来越多的慢性病患者、老人、儿童等需要在家庭内得到医疗监护[4],但是却缺乏有效的手段去满足这些需要;另一方面,电子技术发展很快,电子器件集成度提高、功耗进一步降低、产品性能不断提高。通过选用高集成度的电子器件,应用穿戴式结构和无线化的数据传输方式,研制的传感器节点设备具有体积小、对人体活动无干扰的特点,该系统适合家庭和个人的日常监测。H
摘要：介绍一种基于nRF905微功率无线收发芯片的穿戴式无线健康监测系统,传感器节点设备采用MSP430超低功耗微控制器,接收器通过USB接口与计算机相连。该系统对人体活动限制小,可以实现长期连续监测的目的。
关键词：穿戴式传感器,无线监测,低功耗
参考文献
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芯片nRF905 篇5
本设计采用TI公司的新一代16位单片机MSP430作为主控芯片，结合DS18B20单线数字温度传感器，利用nRF905作为无线通信模块构成无线温度采集系统。系统通过SPI实现MSP430与nRF905之间的数据传输，具有功耗低、宜控制等特点。
1 系统主要芯片介绍
MSP430系列单片机是美国德州公司(TI)1996年推向市场的一种16位超低功耗的混合芯片处理器(Mixed Signal Processor)，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供单片解决方案。其工作电压在1.8--3.6V之间，正常工作时功耗可控制在200uA左右，低功耗模式时可实现2uA甚至0.1uA的低功耗[3]。
射频收发器nRF905工作在433/868/915MHz三个ISM频道，自动完成处理字头和CRC(循环冗余码校验)的工作，方便通过SPI接口进行编程配置。其内部集成电源、晶体振荡器、频率合成器和功率放大器等模块，内部硬件完成数据的曼彻斯特编码/解码，使用方便。由于nRF905具有上述一些特点使得nRF905非常适用于短距离无线数据通信、无线报警及安防系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化等诸多领域。由于其独特的性能及达100 kpbs的传输速率和简单的通信编程接口,使得在项目的开发中,大大缩短了开发时间,降低了开发的成本。
DS18B20是新一代可编程的数字温度传感器，内部主要有三部分组成———64位ROM、温度传感器和温度报警触发器。此外，还有存储器控制逻辑电路等。测温范围在-55———+125℃之间，精度为0.5度。DS18B20温度传感器可编程的分辨率为9～12位温度转换为12位数字格式最大值为750毫秒，用户可定义的非易失性温度报警设置。每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个DS18B20可以同时存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方。由于上述特点，从而DS18B20的用途很多，包括仓库、冷库、机房等场合。同时在工业控制，过程监测和控制发挥重要作用。
2 系统的硬件电路设计
图1[4,5]给出了整个系统的硬件电路。包括温度采集电路和无线通信电路。
1)温度采集电路
在图1中，u1为测温芯片DS18B20，它不需要任何的外围硬件便可进行温度测量，并能把温度值转换成相应的数字量，仅需要一根I/O口线与单片机交换信息，这样大大提高了测温系统的可靠性，缩小了体积，降低了成本。本系统中DS18B20与MSP430F1611单片机的通用I/O口P4.3相连。
2)无线通信电路
无线通信电路见图1，其中u2为射频收发器n RF905。MSP430F1611通过标准的SPI与nRF905通信。当MSP430内部USART串行模块控制器UCTL的SYNC位置位且I2C位复位时，串行模块工作在SPI模式。图中MSP430的P3.0—P3.3用作SPI功能，分别与nRF905d的SPI总线引脚CSN、MISO、MOSI、SCK连接。nRF905的DR、AM、CD接到MSP430的P2口上，利用P2口的边沿触发中断功能，收到数据能及时响应。nRF905的PWR_UP、TRX_CE和TX_EN分别接通用I/O口P4.0、P4.1和P4.2。
本设计以MSP430为主机，nRF905为从机。当控制寄存器中的MM=1时，工作在主机模式。USART模块通过UCLK引脚上的UCLK信号控制串行通信。在第一个UCLK周期，数据由SIMO引脚移出，并在相应的UCLK周期中间，从SOMI引脚锁存数据。每当移位寄存器为空，已写入发送缓存UTXBUF的数据移入移位寄存器，并启动在SIMO引脚的数据发送，最高有效位先发送。同时，接收到的数据移入移位寄存器。当移完所有选定位数时，接收移位寄存器中的数据移入接收缓存URXBUF，并设置中断标志URXIFG,表明接收到一个数据。
3 系统的软件实现
3.1 nRF905收发控制[4]
1)典型ShockBurst TX:
当MSP430有要发送的数据时，将接收节点的地址(TX_Address)和有效数据(TX_Payload)通过SPI接口传送给nRF905，同时设置TRX_CE、TX_EN为高电平来激活nRF905 ShockBurst传输。同时nRF905完成以下操作：无线系统自动上电;数据包完成(加前导码和CRC校验码);数据包发送(100kbps，曼彻斯特编码)。如果AUTO_RETRAN被设置为高，nRF905将连续发送数据包，直到TRX_CE被设置为低。当TRX_CE被设置为低时，nRF905结束数据传输并将自己设置成Standby模式(低电流模式)。nRF905发送数据的流程图如图2所示。
2)典型ShockBurst BX:
MSP430首先通过设置TRX_CE为高、TX_EN为低来选择ShockBurst BX模式，650us后，nRF905自动监测空中的信息。当nRF905发现和接收频率相同的载波时，载波监测(CD)被置为高;当nRF905接收到有效的地址时，地址匹配(AM)被置为高;当nRF905接收到有效的数据包(CRC校验正确)时，nRF905去掉前导码、地址和CRC位，数据准备就绪(DR)被置为高，MSP430响应中断并设置TRX_CE为低，进入Standby模式。此后，MSP430可以以合适的速率通过SPI接口读出有效数据。当所有的有效数据被读出后，nRF905将AM和DR置低。nRF905接收数据的流程图如图3所示。
3.2 DMA模块设计
系统充分利用MSP430内部的DMA(direct memory access)功能将采集到的数据转存到RAM中，这样数据传输速度比较快并且解放了CPU，从而提高了CPU的利用率，使信号处理能力更强。需要注意的是，系统中断不能打断DMA传输，只有在DMA传输结束才能被响应。在任何DMAxSZ寄存器的内容减为0时，响应的中断标志位被置位。如果与之对应的DMAIE和GIE也置位，则可以产生中断请求。DMAIFG不能自动复位，所以需要有软件复位，下面是DMA是部分程序(仅以第一通道为例程)：
3.3 低功耗的软件实现
如何降低功耗使网络生命周期最大化是无线传感网络面临的挑战。无线数据采集系统的节点必须要求低功耗。本系统的节能考虑主要从软件方面设计。
射频模块是功耗的主要部分，要保证节点能准确的接收数据就要保证节点处在接收状态，但若nRF905一直为接收状态，即使不考虑其他器件的电流功耗，电路的功耗也是相当大的，因此可以考虑通过软件设计来降低功耗。一种可行的办法是利用MSP430F1611的定时器，定时地将nRF905从低功耗模式下唤醒，然后将nRF905置为接收状态，监测空中信息，查看此时主机是否正在与自己通信，如果没有，则nRF905继续进入待机状态或掉电状态，MSP430进入低功耗模式;如果有，则保持接收状态并接收数据，并根据主机要求，进行数据采集，或者上传数据，一旦此次通讯完成，MSP430再置nRF905为待机或掉电状态，而自己进入低功耗模式，等待下一次中断将其唤醒。定时器的时间设定需要综合考虑上位机访问从机的频率、传输的数据长度和各个模式之间切换时间等因素，才能保证通讯正常进行。
3.4 系统上位机设计
温室环境监测系统的节点层与管理层之间采用无线远程数据通信方式,管理中心通过nRF905与下面的温度监测节点之间进行通信。管理中心的主要功能是监测温室现场各项设备及环境参数动态变化,并根据数值处理和分析给出控制决策,是管理者与生产现场之间的纽带。
监控软件的开发平台,我们选择现在非常流行的Visual Basic开发工具。Visual Basic提供了面向对象功能,包括应用程序继承允许从其他类导出想创建的类,创建组件。具有可视化的图形用户界面、事件处理、可访问W in32 API、基于对象编程以及错误处理等功能。
监控软件具有下面几个功能：完成监测现场温度功能，通过采集的温度大小在界面上显示出来;控制现场温度，发现温度达到警戒线时产生报警信号，用户可以操作设备达到降低或升高温度;对温度的历史数据进行保存;在显示界面绘制温度变化曲线;对仪表的一些参数可以进行相应设置。
4 结束语
本文介绍了一个基于nRF905的以MSP430F1611单片机为核心的具有无线通信功能的温室温度监测系统的设计，完成了温室中温度采集与数据的无线传输功能，实验结果较理想。尽管本研究的初衷是针对温室温度监测而设计的系统，但采用的技术原理和关键技术具有高度的通用性，完全可以应用与其他领域的无线数据采集和监控系统中，因此具有广泛的应用前景。
参考文献
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芯片nRF905 篇6
1 总体方案设计
1.1 系统框图
设计了一个5层7列的升降横移式立体车库, 其中底层只能横移, 顶层只能升降, 其余各层既能平移也能升降, 除顶层是七个车位外, 其余各层都是六个车位。每一层采用一片ds PIC30f6014单片机总体控制, 通过与n RF905无线收发模块通信, 实时监测光电开关和限位开关信号, 控制升降电机和横移电机。立体车库的结构简图如图1所示:
本系统控制核心采用三星公司的ARM处理器S3C2440, S3C2440基于ARM920T核心, 0.13μm的CMOS标准宏单元和存储器单元。低功耗, 简单, 精致, 且全静态设计特别适合于对成本和功率敏感型的应用。采用了新的总线架构如先进微控制总线架构 (AMBA) [3]。S3C2440同样通过n RF905无线收发模块与其余5片无线收发模块实时通信, 控制整个升降横移立体车库稳定、安全运行。底层有一个超长光电对射开关, 用以监测车辆是否超长;每一个车位上都有一对红外对射, 用以监测车位上是否有车;除顶层外, 在每个车位中间都有一个横移限位开关, 用以监测横移到位;每个车位都有一个升降限位开关, 用以监测车位升降到位。并在触摸屏和PC机上实时更新车位信息, S3C2440与PC机通过RS-485通信接口相连。
(1.上升提升链轮轴承座系统2.传动链条3.提升用白线针轮减速电机4.载车板链轮抽成座系统5.载车台板6.横移台板驱动减速电机7.横移轨道及横梁8.提升链条9.搭接板10.提升链轮11.横移台车轮12.链条固定端)
1.2 无线数据收发模块
立体车库的无线数据收发模块采用单片射频收发芯片n RF905, 通过3.3V供电电源模块供电, 工作于433MHz的ISM频段。最大数据传输速率为100Kb/s, 在发射功率为-10d Bm时, 发射电流为9m A。接收电流只有12.5m A。由一个完全集成的频率调制器, 一个带解调器的接收器, 一个功率放大器, 一个晶体振荡器和一个调节器组成。利用Shock Burst技术实现数据的发送与接收。Shock Burst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC检验。可以很容易通过SPI接口进行编程配置[4]。
根据公式:
式中Lfs为传输损耗, f为工作频率, d为传输距离, 频率的单位以MHz计算。由上式 (1) 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和d增大一倍时, [Lfs]将分别增大6。
1.3 数据信息采集模块
立体车库主要采集光电对射的信号和限位开关的信号, ds PIC30F系列通用数字信号控制器内含有12位A/D转换器 (200k S/s) 、内部E2PROM存储器、比较输出、捕捉输入、I2C和SPI接口、异步串行通信 (USART) 接口、Flash程序存储器读/写等强大的控制功能内核, 具有强大的数字信号处理能力, DSP引擎很显著地提高了内核运算能力和吞吐量, 其设计和实现最佳的实时性能[5]。为了确保系统的可靠性, 和抗干扰能力, 在传感器和ds PIC30F6014单片机之间增加光耦隔离电路。每层都会由一片ds PIC30F6014单片机进行数据采集, 如表1是每层具体数据采集接口地址的分布表。
1.4 电机控制模块
采用ds PIC30F6014单片机控制TLP521光电耦合器, 由TLP521光电耦合器控制三相电机正反转模块, 三相电机正反转模块是一款三相电动机正反转控制专用固态继电器, 可以用来开关功率在9k W以内的三相异步电动机, 内置的电子锁电路可以有效地防止在同一时间内固态继电器的正反转开关同时导通。同样每层也用一片ds PIC30F6014单片机控制升降电机和横移电机的动作, 如图4是电机正反转控制电路, 表2所示是每层升降横移电机输出接口地址表。
2 软件设计
2.1 n RF905模块Shock Burst TX发送流程
n RF905有两种活动 (RX/TX) 模式和两种节电模式
活动模式
Shock Burst RX
软件设计
Shock Burst TX
节电模式
掉电和SPI编程
STANDBY和SPI编程
n RF905工作模式由TRX_CE, TX_EN, PWR_UP的设置来设置。
典型的n RF905发送流程分以下几步:
当微控制器有数据要发送时, 通过SPI接口, 按时序把接收机的地址和要发送的数据传给n RF905, SPI接口的速率在通信协议和器件的配置时确定;
微控制器置高TRX_CE和TX_EN, 激发n RF905的Shock Burst TM发送模式;
n RF905的Shock Burst TM发送:
射频寄存器自动开启;
数据打包 (加字头和CRC校验码) ;
发送数据包;
当数据发送完成, 数据准备好引脚被置高;
AUTO_RETRAN被置高, n RF905不断重发, 直到TRX_CE被置低;
AUTO_RETRAN被置高, n RF905发送过程完成, 自动进入空闲模式。Shock Burst TM工作模式保证, 一旦发送数据过程开始, 无论TRX_EN和TX_EN引脚是高或低, 发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕, n RF905才能接受下一个发送数据包。
2.2 n RF905无线收发模块Shock Burst RX接收流程:
当TRX_CE为高、TX_EN为低时, n RF905进入Shock Burst TM接收模式;
650us后, n RF905不断监测, 等待接收数据;
当n RF905检测到同一频段的载波时, 载波监测引脚被置高;
当接收到一个相匹配的地址, AM引脚被置高;
当一个正确的数据包接收完毕, n RF905自动移去字头, 地址和CRC检验位, 然后把DR引脚置高;
微控制器把TRX_CE置低, n RF905进入空闲模式;
微控制器通过SPI口, 以一定的速率把数据移到微控制器内;
当所有的数据接收完毕, n RF905把DR引脚和AM引脚置低;
n RF905此时可以进入Shock Burst TM接收模式、Shock Burst TM发送模式或关机模式[6]。
2.3 存车程序
正常情况下, 当车主可以通过触摸屏发出存车信号时, μC/OS-II操作系统直接调用存车任务, 若存车车位在一层, 车主可以直接开入车位, 将车停进车位后离开;若存车车位不在一层, 系统会根据所选车位进行横移降到一层, 车主将车停进车位, 车主下车, 系统会根据逻辑运算将车位停放回原处, 存车完成。同时S3C2440会与上位机进行通信, 更新上位机监控软件车位信息, 若在存车过程中车辆超长或者存车超时系统会发出声光警报, 存车停止。基于嵌入式立体车库监控系统的存车任务控制框图如图5所示:
2.4 取车程序
在系统正常情况下, 车主可以根据触摸屏选取自己的车辆, μC/OS-II操作系统会直接启用任务调度, 运行取车任务, 若车辆在一层, 车主可以直接将车辆开出;若车辆不在一层, 系统会根据逻辑运算将车位通过横移出空位再下降到一层, 然后车主将车开出离开后, 系统又会根据逻辑算法将车位停放回原处, 取车结束。同时S3C2440与上位机通信, 更新上位机监控软件车位信息, 在取车过程中, 系统如果检测到有人进入或是运行出错等问题时, 会即刻停止运行, 并发出声光报警。基于嵌入式立体车库监控系统的取车任务控制框图如图6所示:
2.5 上位机监控系统
系统的开发工具选择Visual Studio 2010, Visual Studio是微软公司推出的开发环境。是目前最流行的Windows平台应用程序开发环境, 采用这个软件进行界面设计可以自动设置开始页, 使设计更简便, 具有更高效的开发环境, 使设计的界面更能满足用户的需要[7]。
系统直接利用Visual Studio的串口控件, 通过串口与S3C2440进行相互通信, 系统设有一个登陆窗口, 供管理人员进行登陆验证, 登陆系统后, 除了车主可以自助停车外, 管理人员可以手动管理立体车库, 主界面显示存车或者取车两个执行按钮, 当选择存车界面时, 会直接进入车库系统, 选择相应的车位, 系统会直接记录存车时间, 管理员输入车牌号码后相应的车位直接会显示车牌号码, 并与S3C2440进行通信后, 直接调用存车任务, 进行存车操作;当选择取车时, 同样会进入车库系统, 通过车牌号码选择相应的车位, 与S3C2440进行通信后, 直接调用取车任务, 进行取车操作。
结束语
本文针对立体车库数据的传输将n RF905无线收发模块与立体车库结合, 避免了数据电缆的拖拉, 保证了信号的稳定传输, 并且利用S3C2440与ds PIC30f6014单片机控制整个立体车库的稳定运行, 减少了系统的资金投入, 给检修带来了方便。鉴于此, 基于n RF905无线收发模块对于此方向的研究人员具有借鉴意义。
摘要：为了解决立体车库的数据监控问题, 结合嵌入式操作系统μC/OS-II, S3C2440作为中央控制器, ds PIC30F6014单片机作为辅助控制器, 利用挪威Nordic公司的n RF905无线收发模块构成的无线数据监控系统, 替代目前数据的有线传输, 让信号传输更稳定, 将嵌入式带到立体车库中, 解决了系统的可控性和智能性, 文中详细的叙述了系统设计的原理以及软硬件设计实现方法。
关键词：立体车库,nRF905,无线监控,嵌入式实时操作系μC/OS-Ⅱ,S3C2440
参考文献
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芯片nRF905 篇7
nRF905是挪威Nordic公司出品的无线数传芯片, n RF905适用于多种无线通信的场合, 如无线数据传输系统、报警及安全系统、家庭自动化、遥感监测、无线门禁系统等。本文是采用n RF905芯片组与单片机AT89S52的组合, 再加上串口芯片能与PC串口相连的设计, 可以迸发出强大的功能与效用。
2 nRF905单片机无线网络设计
nRF905芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块, 输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低, 以10d Bm的功率发射时, 工作电流仅有30m A, 接收时工作电流只有12.5m A, 多种低功率工作模式, 待机模式下电流仅为12.5μA, 节能设计更方便。其Shock Burst技术可在通讯时自动生成前导码和CRC校验位。
基于nRF905的单片机无线网络的硬件实质是由进行数据处理的单片机和负责收发的射频模块两者组合成的无线收发系统。之所以单片机选用Atmel公司的AT89S52。它具有以下优点:第一, AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器, 具有8K在系统可编程Flash存储器。第二, AT89S52使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造, 与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。第三, 片上Flash允许程序存储器在系统可编程, 亦适于常规编程器。在单芯片上, 拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash, 使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
无线收发系统选用基于n RF905的PTR8000无线通信模块。采用VLSI Shock Burst技术, 32脚封装 (32L QFN 5*5mm) , 供电电压为1.9~3.6V, 非常适合于低功耗、低成本的工控设计。n RF905芯片内包含有发射功率放大器、低噪声接收放大器、晶体振荡器、锁相环、压控振荡器、混频器等电路, 工作频率为ISM频段433MHz, 采用FSK调制解调、晶体振荡和PLL频率合成技术, 接收灵敏度为-105d Bm, 发射功率为l0d Bm, 待机状态电流消耗仅10m A。
nRF905这部分的传输效果是整套系统稳定性的关键, 因此, 在实际设计操作中, 重点考量的是此芯片的损耗功率、有效距离等参数。由电磁场理论可知, 若各向同性天线 (亦称全向天线或无方向性天线) 的辐射功率为PT瓦, 距辐射源dm处的电场强度有效值E0, 有公式如下
上式中d的单位为km, 代表传播距离, 频率单位以MHz计, 根据上面公式对n RF905进行验算:
首先, 由发射功率10d Bm, 接收灵敏度为-105d Bm, 得出L=115d B。
然后, 由L、f=433MHz计算得出d=31km。
这是理想状况下的传输距离, 实际的应用中是会低于该值, 这是因为无线通信要受到各种外界因素的影响, 如空气密度、阻挡物、多径等造成损耗, 如果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。参考其他实验数据设干扰损耗为25d B, 可以计算得出n RF905有效通信距离为:d=1.7km, 这对于大多数地方应是绰绰有余的。单片机AT89S52与n RF905的系统通信示意图如图2.3所示。
基于n RF905的单片机无线网络系统使用简单, 其特点有以下几点:
(1) 系统规模可控, 兼顾可扩展及经济性。无线系统点对多的“积木式”设计, 可根据实际需要灵活调整、配置。
(2) 采用成熟单片机控制, 维护简单。
(3) 最大限度保障系统的可靠性, 便于快速推广。
本系统设计的关键在于:
(1) 剖析无线数据传输模块, 绘制并调节基于n RF905芯片的射频无线数据传输模块电路。
(2) 熟悉AT89S52的主要性能和性质, 并利用AT89S52单片机实现数据传输。
(3) 掌握无线通信协议, 对硬件电路实现软件编程。
3小结