《单片机原理与接口技术第11章 单片机系统无线扩展技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单片机原理与接口技术第11章 单片机系统无线扩展技术（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2020/7/4,1,单片机原理与接口技术,第11章单片机系统无线扩展技术,2020/7/4,2,（1）熟悉单片机无线接口的工作原理。（2）熟悉nRF905无线数传芯片接口电路的设计方法。（3）了解无线传感网络ZigBee的基本原理和应用。,本章教学要求,2020/7/4,3,本章目录,11.1点对点无线通信11.1.1nRF905芯片介绍11.1.2应用nRF905扩展单片机无线接口11.2ZigBee无线网络技术简介11.2.1ZigBee网络框架11.2.2ZigBee网络中的设备11.2.3ZigBee网络拓扑结构11.2.4ZigBee技术的特点和应用领域,11.3ZigBee无线网
2、络技术应用实例11.3.1支持ZigBee无线网络的单片机选择11.3.2串行总线接口的数字式温湿度传感器选择11.3.3ZigBee无线网络节点的硬件电路设计11.3.4软件设计习题与思考题,2020/7/4,4,前言,与有线通信技术相比，无线通信技术具有如下优点：布线成本低，不需要专门的电缆；只需将设备与无线数据传输模块相连接，建网快捷、扩展性好；维护方便,灵活性高,易用性好,可快速构建应用系统。随着射频技术和集成电路的发展，短距离无线数据传输速率也越来越快，抗干扰能力也越来越强，体积却越来越小，功率和成本越来越低，开发简单快速，极大地促进了移动电子设备的发展。目前，无线数据传输使用范围非
3、常广泛，包括工业控制、交通物流、环境监测、市政设施、粮情监测、仓库监测、医疗监护、家庭电子、社区服务和物业管理等诸多方面。,2020/7/4,5,前言,目前广泛应用的无线通信技术主要有：无线传感网络（ZigBee）；蓝牙（Bluetooth）；红外（IrDA）；无线局域网802.11（Wi-Fi）。还有一些近距离无线技术标准，例如：射频标签RFID；超宽频UWB（UltraWideBand）；短距离通信（NFC）；HomeRF等。这些技术都有各自的特点和适用的场合。本章将以点对点无线通信和ZigBee无线传感网络为例介绍单片机无线接口技术。,2020/7/4,6,11.1点对点无线通信,早期的
4、无线收发电路采用分立元件组成，调试复杂而且稳定性欠佳。随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线收发芯片已经集成化，形成单片数字信号射频收发芯片，只需要增加少量外围器件就可组成一致性良好，性能稳定的无线收发模块。这些射频收发芯片一般均采用串行接口同单片机进行通信，因此单片机只要通过通信接口对射频收发芯片内部的寄存器进行配置就可以改变发射功率、工作频率等参数，数据的传输也是通过串行接口进行的，极大地方便了单片机无线应用开发。这些射频收发芯片主要有挪威Nordic公司生产的nRF401，nRF905，nRF2401等，美国Analog公司生产的ADF7021，ADF7022，ADF7025等，Chi
5、pcon公司生产的CC1100，CC1020，CC2500等，SiliconLabs公司生产的Si4430/31/32等芯片。本节将以nRF905为例介绍射频收发芯片与单片机的接口技术。,-射频收发芯片,2020/7/4,7,11.1.1nRF905芯片介绍,nRF905是集成度很高的多频段单片射频收发器。工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道。nRF905采用GFSK调制方式，最高工作速率50kbps。芯片内部集成了曼彻斯特编码和解码器。利用SPI接口同单片机进行数据交换。外部只需连接少量电阻和电容元件，配置简单方便。最大发射功率为10dBm。接收灵敏度为-10
6、0dBm。工作电压为1.93.6V。功耗低，发送功率-10dBm时电流为9mA，接收时为12.5mA，待机模式下仅为2.5A。适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线监测等领域。,-nRF905芯片,2020/7/4,8,11.1.1nRF905芯片介绍,nRF905内部结构图,nRF905由电源管理模块,频率合成器,接收解调器,功率放大器,晶体振荡器,低噪声放大器,功率放大器,调制器,内部寄存器和SPI总线接口等模块组成。,nRF905采用32引脚QFN封装(55mm),-nRF905结构,2020/7/4,9,11.1.1nRF905芯片介绍,1nRF905的引脚功能,-nRF905引
7、脚,2020/7/4,10,11.1.1nRF905芯片介绍,2nRF905的工作模式,nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式是：ShockBurstTM接收模式ShockBurstTM发送模式两种节能模式是：掉电模式和待机模式。其工作模式由PWR_UP、TRX_CE和TX_EN三个引脚决定，见下表。,-nRF905工作模式,2020/7/4,11,11.1.1nRF905芯片介绍,3nRF905的内部寄存器,nRF905有5个内部寄存器,可通过对这5个寄存器的操作实现对芯片控制、发送和接收数据。各寄存器功能描述：1）状态寄存器状态寄存器(Status-Register)是只读
8、寄存器,其中位7是地址匹配状态(AM)信息,位5是数据就绪DR,其他位没有用。2）射频配置寄存器射频配置寄存器(RF-ConfigurationRegister)共有9字节，用来配置nRF905的射频工作频段、输出功率，工作方式、本机地址、发送和接收字节数等信息。具体内容见表11-3和表11-4。,-nRF905寄存器,2020/7/4,12,11.1.1nRF905芯片介绍,表11-3nRF905的射频配置寄存器字节列表,-nRF905射频配置寄存器,2020/7/4,13,11.1.1nRF905芯片介绍,表11-4nRF905的RF配置寄存器相关位说明,-nRF905的RF配置寄存器,2
9、020/7/4,14,11.1.1nRF905芯片介绍,3）发送地址寄存器发送地址寄存器（TX-Address）用来写入要访问的目标无线终端设备的地址信息。该寄存器共有4字节，但实际使用的字节数由射频配置寄存器中的TX_AFW决定。4）发送数据缓冲区发送数据缓冲区（TX-Payload）用来写入要向目标无线终端设备发送的数据信息。该缓冲区共有32字节，但实际使用的字节数由射频配置寄存器中的TX_PW决定。5）接收数据缓冲区接收数据缓冲区（RX-Payload）用来保存nRF905接收到的数据信息，供主机进行读取。该数据信息包含字头和CRC校验位信息。该缓冲区共有32字节，但实际使用的字节数由射
10、频配置寄存器中的RX_PW决定。,-nRF905寄存器,2020/7/4,15,11.1.1nRF905芯片介绍,4nRF905的SPI接口命令主机在访问nRF905相关寄存器时需要按下表中的工作命令操作。,-nRF905命令,2020/7/4,16,11.1.1nRF905芯片介绍,nRF905的SPI接口读写时序,该接口支持SPI工作模式0,每条命令都从CSN的下降沿启动。读状态寄存器没有相应命令,而是每当CSN下降沿跳变时,状态寄存器的内容就随着时钟信号逐位移出。推荐在芯片处于待机状态时操作SPI接口。,-nRF905读写时序,2020/7/4,17,11.1.2应用nRF905扩展单片
11、机无线接口,1nRF905的收发流程采用nRF905为单片机设计无线数据传输接口,需要考虑单片机如何控制数据的发送和接收,各引脚之间的配合关系是怎么样的,同时还要考虑多个无线终端设备存在时如何防止数据发送的冲突。nRF905发送工作时序图,-nRF905发送时序,2020/7/4,18,11.1.2应用nRF905扩展单片机无线接口,nRF905的发送流程如下：(1)单片机由SPI接口向nRF905传送目标终端地址和待发送数据。(2)单片机拉高TRX_CE和TX_EN，使nRF905进入发送模式，nRF905做如下处理：启动射频电路；为数据加上字头和计算出的CRC校验码，形成数据包；发送数据包
12、；当数据发送完成,数据准备好引脚DR被置高;通知单片机nRF905可以接收新的数据。(3)如果射频配置寄存器中AUTO_RETRAN配置为1,nRF905将不断重发数据包,直到TRX_CE被置低。(4)当TRX_CE被置低,nRF905在当前数据包发送完成后,自动进入空闲模式。,在发送模式时,DR引脚在数据包传输开始或转换到其他模式时变为低电平。一旦发送数据的过程开始,无论TRX_CE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,nRF905才能接收下一个发送数据包。,-nRF905发送流程,2020/7/4,19,11.1.2应用nRF905扩展单片机无线接口
13、,nRF905接收工作时序图,-nRF905接收时序,2020/7/4,20,11.1.2应用nRF905扩展单片机无线接口,nRF905的接收流程如下：(1)当TRX_CE为高、TX_EN为低时,nRF905进入接收模式。(2)650s后，nRF905开始监测，等待接收数据。(3)当nRF905检测到同一频段的载波时,载波检测引脚被置高。(4)当接收到的数据包的地址部分与配置的本机地址相同,AM引脚被置高。(5)当nRF905接收完数据后进行CRC校验，校验结果正确，则nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把DR引脚置高。如果CRC校验有误，则DR引脚保持低电平，而且将AM引脚复
14、位置低。(6)单片机把TRX_CE置低，nRF905进入空闲模式。(7)单片机通过SPI口把数据从接收缓冲区读回。,-nRF905接收流程,2020/7/4,21,11.1.2应用nRF905扩展单片机无线接口,当数据缓冲区中的数据被读空时，nRF905把DR引脚和AM引脚置低。此时nRF905可以进入接收模式、发送模式或关机模式。当nRF905正在接收一个数据包时，如果改变芯片的工作模式会造成数据丢失。CD引脚的作为载波检测的输出，为nRF905提供了简易的冲突检测功能。当芯片处于接收模式时，如果在芯片所配置的射频工作频段内，能够检测到载波信号，则说明有设备处于发送状态，此时载波检测（CD）
15、引脚变高。为了避免冲突，造成双方数据发射失败，单片机在发送数据前，要先将芯片置为接收模式，检查CD引脚状态，为低电平时才可发送数据。,-nRF905接收流程,2020/7/4,22,11.1.2应用nRF905扩展单片机无线接口,2nRF905的接口电路图11-5是采用8051内核单片机STC90C54所设计的nRF905的接口电路。nRF905的外部连接包括天线、晶振、电阻和电容。天线可以采用PCB环形天线和外部单端天线,不同的频段和不同的天线对电路中元件的要求不同。设计印制电路板时严格按照芯片的手册给出的天线电路的布局、尺寸和形状绘制PCB天线。nRF905的电源应尽量采用独立的直流电源供电，电源引线尽量短。电源引脚VDD应接去耦电
