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1、沈阳航空工业学院毕业设计（论文）第1章 方案论证1.1课题来源随着现代通信技术的飞速发展，无线数据传输系统已成为当今通信业乃至整个信息业的热点，不但可以应用在数据传输电台，还可以应用于无线遥控、报警、无线局域网、军事通信等范围，具有一定的实际应用价值。目前，无线数据通信的应用领域越来越广：遥控遥测、无线抄表、门禁系统、身份识别、非接触RF智能卡、无线标签、安全防火系统、生物信号采集、机器人控制等。凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望能通过无线方案来解决。为此,需要设计相应的接口系统，控制这些射频芯片工作,完成可靠稳定的无线数据通信。基于达成以上要求本人设计了一款基于无线传输模块的网络通信系统。
2、1.2方案论证 此次方案设计使用的元器件主要有两种分别是单片机和无线传输模块，使用单片机控制无线传输模块进行发送和接收数据，单片机准备用比较熟悉的AT89S51单片机，无线传输模块准备用性价比比较高的nRF24L01。1.2.1基于无线传输模块的网络通信系统的基本工作原理本系统通过利用无线传输模块进行的无线通信传输，图1通过用单片机控制无线传输模块1进行发送无线信号，然后用单片机控制无线传输模块2接收无线传输模块1所发出的无线信号，从而实现1对1的无线信号传输。图2所示的是通过单片机控制3个无线传输模块进行相互的无线传输。单片机 无线 传输 模块 1 无线 传输 模块 2 单片机 图1.1 1
3、对1无线传输原理框图单片机 无线 传输 模块 1 无线 传输 模块 2 单片机 单片机 无线 传输 模块 3 图1.2 3模块间相互无线传输原理框图1.2.2无线传输模块的选择方案一：采用nRF24L01本方案采用的无线传输模块是nRF24L01，nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.42.5 GHz ISM频段。工作电压为1.93.6 V，有多达125个频道可供选择。可通过SPI写入数据，最高可达10 Mb/s，数据传输率最快可达1 Mb/s，并且有自动应答和自动再发射功能。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融进了增强式ShockBurst技术，其中输出
4、功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-6 dBm的功率发射时，工作电流只有9 mA，接收时工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。 图1.3 无线传输模块nRF24L01方案二：采用nRF9E5本方案采用的无线传输模块是nRF9E5，nRF9E5是一种微型32引脚QFN ( 5x5 mm)封装的芯片。工作电压直流1. 9 3. 6 V,工作频率433MHz，868915MHz。nRF9E5主要由兼容8051的微控制器；nRF9E5无线通讯模块；A /D转换模块和一些与逻辑端口连接的其他功能模块: 包括SP I可编程串行接口、PWM脉
5、冲宽度调制、低功率RC振荡器、看门狗定时器和RTC实时时钟唤醒模块等组成。综上所述，方案1选择的无线传输模块nRF24L01它的工作速率可以达到1Mbps，而nRF9E5的工作速率只有100kbps， nRF24L01的功耗可以达到6dBm比nRF9E5的功耗低，并且nRF24L01具有CRC纠检错硬件电路和协议，使得模块运行稳定可靠，而nRF24L01的价格却只有nRF9E5价格的一半。1.2.3单片机的选择随着电子技术的发展与进步，单片机也已有许多型号，常见的有Intel公司的MCS-51、151、251系列；ZILOG的Z8系列；Philips公司的80C51和51XA系列；Motoro
6、la的68HC05/08系列；Microchip公司的PIC18CXX系列单片机；Atmel公司的89系列；Sunplus公司的SPCE061A系列单片机；Winbond公司的78E51系列等。 方案一: 采用Microchip公司的PIC18F4620本方案采用的是采用PIC18F4620单片机，PIC18F4620采用哈佛结构，以及RISC指令系统单片机，其具有1K RAM，64K FLASH，丰富的I/O口资源，内置A/D，内置EEPROM，看门狗电路，倍频电路等丰富的外围模块，一个指令周期是四个机器周期，运算速度快，完全能够满足我们的系统要求。但由于其不是主流单片机，价格比较高，购买不
7、方便，使用不广泛，放弃此方案。方案二：采用ATMEL公司的AT89S51ATMEL公司的AT89S51，它以经典的8031为内核，有一个8位的微处理器，不仅可以处理字节数据，还支持位操作，片内拥有8KB的Flash ROM 程序存储器，256B RAM的数据存储器，中断系统拥有6个中断源，分两级优先权，一个串行口，4个8位并行IO口：P0、P1、P2、P3，具有很强的运算、控制能力，而且与其他单片机相比具有很强的稳定性，价格低，性价比高。综上所述，根据本毕设的要求，选用AT89S51单片机。1.2.4 3.3V电源电路的选择单片机AT89S51与无线收发模块nRF24L01连接时，由于AT89
8、S51工作电压为5V，而nRF24L01工作电压为3V左右，因而要在两个芯片之间加上电压转换电路。方案论证如下：方案一：采用电位计进行分压电位计分压电路图如图1.4所示 图1.4 电位计分压电路图根据电阻串联分压原理 （12）在公式1.2中，Ui为单片机输出电压，Uo为分得电压，即nRF24L01的输入电压。通过调节电位计，使Uo=3.3V，以此达到电平转换的作用。采用电位计通过分压来进行电平转换，虽说在理论上能够进行电平转换，但是在实践操作中，却存在着很大问题，主要体现在：人为影响太大。每次实验前都需检测与调节Uo是否在nRF24L01的工作范围内，以防止nRF24L01被过高的电压烧坏，整
9、个电平转换电路不够稳定。 方案二：采用稳压模块LM1117LM1117它只有三个引脚，外接电路简单，只需要两个电容，就能够输出稳定的3.3V电压，为nRF24L01提供3.3V工作电源。在图1.4中，引脚1接5V电压。引脚3接地。引脚2便输出3.3V电压，来作为nRF24L01的工作电压。GND VCC Vout 3 1 2图1.4 LM1117引脚分配图表1.1 LM1117引脚功能引脚名称功能描述1VCC输入端2Vout输出端3GND地线综上所述，根据实验要求并比较以上两种方案，采用稳压模块LM1117电路简单易行，稳定性强，可实现电压转换。因而选用第二种方案。第2章 关键芯片2.1 引言
10、由于无线数据通信不用布线，快速布局，因此具有有线数据通信无法比拟的便捷性，在特殊场合具有不可替代性。然而，传统的由基本射频集成电路搭建的无线数据通信系统存在电路复杂，成本高，传输速率低，可靠性差等缺点。因此，我们选择了一款工业级内置硬件链路层协议的低成本单芯片nRF24L01型无线收发器件。该器件采用GFSK调制，128个频点自动跳频，片内自动生成报头和CRC校验码，具有出错自动重发功能，这些特性使得由nRF24L0l构建的无线数据传输系统具有成本低，速率高，传输可靠等优点。2.2无线传输模块 nRF24L012.2.1 nRF24L01芯片的介绍nRF24L01是一种单片无线收发器，工作在2
11、.42.5GHz频段。nRF24L01由完全集成的频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成。其芯片结构如图2.1所示。nRF24L01各引脚功能见表2.1。 图2.1 nRF24L01芯片结构图2.2.2 nRF240L1功能分析nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz 频段，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软件进行设置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。125个频道，满足多频及跳频需要，高速率1Mbps，高于蓝牙，具
12、有高数据吞吐量。发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成。nRF24L01内置了CRC校验码，软件开发相对简单。nRF24L01适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控玩具、警报和安全系统、家用自动化、监视系统等。表2.1 nRF24L01引脚功能引脚名称引脚功能描述1CE数字输入RX或TX 模式选择2CSN数字输入SPI片选信号3SCK数字输入SPI时钟4MOSI数字输入从SPI数据输入脚5MISO数字输出从SPI数据输出脚6IRQ数字输出可屏蔽中断脚7VDD电源电源+3V8VSS电源接地0V9XC2模拟输出晶体震荡器2脚10XC1模拟输入晶体震荡器1脚/外部
13、时钟输入脚11VDD_PA电源输出给RF的功率放大器提供的+1.8V电源12ANT1天线天线接口113ANT2天线天线接口214VSS电源接地0V15VDD电源电源+3V16IREF模拟输入参考电流17VSS电源接地0V18VDD电源电源+3V19DVDD电源输出去耦电路电源正极端20VSS电源接地0V2.2.3工作方式的设定nRF24L01有四种工作模式：发送模式、接收模式、待机模式和掉电模式。nRF24L01的工作模式由PWR_UP 、PRIM_RX和CE三个引脚决定，详见表2.2。表2.2 nRF24L01工作模式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO 寄存器状态接收模式111 发送模式101 数据在TX FIFO 寄存器中发送模式1010停留在发送模式直至数据发送完待机模式II101TX FIFO 为空待机模式I10无数据传输掉电模式0 各种工作模式详述如下：2.2.2.1收发模式收发模式有Enhanced ShockBurstTM收发模式、 ShockBurstTM收发模式和直接收发模式三种，收发模式由器件配置字决定 1、Enhanced ShockBurstTM收发模式Enhanced ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样
