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1、基于nRF905模块和C8051F单片机的无线收发系统设计2010-03-12 14:52:54 来源：与非网 关键字： C8051F0606单片机 nRF905无线射频器 闭环钻井系统 前言在闭环钻井系统中，要求实时地把井下的信息传递到地面，以实施人工监控。通常情况下该任务由MWD中泥浆压力脉冲发生器来完成。当使用井下动力钻具组合时，近钻头传感器和MWD被动力钻具隔开。传感器无法用线缆与MWD连接，因此要把传感器的信息传送给MWD只能通过无线通信的方法。本文设计了由C8051F0606单片机和nRF905无线射频器收发组成的一种无线数据传输系统的方案。该系统由发射和接收模块组成，发射模块主要
2、将要发送的数据经单片机处理后，通过nRF905发送出去；在接收模块中，nRF905则将数据正确接收后通过上位机界面显示出来，从而实现短距离井下的无线通信。无线收发系统硬件设计nRF905模块简介nRF905是Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9 V3.6 V，工作于433MHz、868MHz、915MHz 3个ISM频段，频道转换时间小于650s，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。nRF905 模块的高频头用户接口电路管脚图如图1所示。图1 nRF905模块的高频头用户接口电路管脚n
3、RF905模块具有两种工作模式和两种节电模式。工作模式包括：ShockBurst 接收模式和ShockBurst 发射模式；节电模式包括：掉电与 SPI 编程模式、待机与SPI编程模式。系统硬件设计本无线收发电路主要由C8051F060单片机和无线射频芯片nRF905组成。系统方框图如图2所示。图2 无线收发电路系统组成框图C8051F350是Silabs公司的一款精确混合信号单片机，片内有8通道16bit的S-D型ADC、128倍PGA、电流型DAC以及VREF等模拟外设，可以方便地与温度压力等传感器直接连接。使用电流型DAC对传感器进行激励，传感器的输出信号经片内128倍PGA放大后进行A
4、/D转换，无需额外的信号调理电路。片内8K FLASH，可在线编程和改写，传感器的标定参数可以在FLASH中存储，节省片外存储器。图3为系统硬件电路图。图3 nRF905与MCU的电路原理图软件设计本系统中的无线数据传输主要由无线数据收发器nRF905、C8051F单片机和显示部分组成。nRF905收发器与单片机之间通过SPI口进行通信。因此，软件设计过程中的重点是nRF905数据的发送和接收过程。nRF905的数据发送过程发送数据时的工作流程如图4所示。当MCU有遥控数据节点时，接收点的地址 (TX- address) 和有效数据 (Tx- payload) 将通过SPI接口传送给nRF90
5、5。设计时应使用协议或MCU来设置接口速度。可用MCU设置TRX-CE，并使TX- EN为高电平来激活nRF905的ShockBurst传输。通过nRF905的ShockBurst可使无线系统自动上电，并完成数据包 (应加前导码和CRC校验码) 的数据码发送。图4 发射数据流程nRF905的数据接收过程当系统接收数据时，其接收数据流程图如图5所示。系统的工作过程如下：首先，在650s以后，nRF905将不断监测空中的信息。当nRF905发现有和接收频率相同的载波时，其载波检测 (CD) 被置为高电平；此后，当nRF905接收到有效地址时，地址匹配 (AM) 被置为高电平；当nRF905接收到有
6、效的地址包 (CRC校验正确) 时，nRF905将去掉前导码、地址和CRC位，同时将数据准备就绪位 (DR)置为高电平，并用MCU设置TRX- CN为低电平，以进入standby模式，从而使MCU能够以合适的速率通过SPI接口读出有效的数据；当所有的数据读出，nRF905将AM和DR设置为低电平，以便使nRF905准备进入ShockBurst RX、ShockBurst TX或Powerdown模式。图5 接收数据流程图用户界面的设计本软件采用VB界面设计。将井下接收到并采集后的数据通过单片机显示在PC机上，可以清楚地看到井下的相关数据信息。如图6所示，是一组井下信息采集后通过无线传输的方式，将传感器输出的数据传输到MWD上。图6中通道1至通道15分别实测井参数量化台阶数转换过后的模拟电压值，其中包括压力、温度、湿度、三轴重力加速度传感器输出值（Gx、Gy、Gz）以及翼肋位移等等。在实际应用中可较为直观地显示出来。图6 用户交互界面结论系统调试成功后，进行了多次数据传输实验。本系统通过了实际数据通信实验的验证，运行稳定，通信可靠，能够实现100米左右的无线通信。从实验数据可知，无线信号在井下传输环境下的损耗远大于室外环境，在同等条件下，误码率主要与距离延伸有关。本系统还可以应用于点对点、点对多点通信的一些实际工作环境中。
