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1、基于nRF401的通用智能无线收发装置谢锦沐，吴功平，蒋锡健，祝鲁金 (武汉大学 动力与机械学院 湖北 武汉 4072）目前,在各种仪器仪表数据采集系统,遥控测控系统中都需要嵌入无线数据传输的装置，本文介绍了一种通过单片机W7E5对无线收发芯片nRF进行智能控制的通用无线收发装置的设计方法,硬件电路的设计分为两部分:无线射频模块的设计和控制模块的设计。该装置可以通过跳线的装置选择串口为S22标准或TTL电平标准，通过W7758控制可以实现双信道的切换，并可实现数据流控。 无线射频模块的设计 在本设计中，无线射频模块采用挪威Norc公司推出的nRF401无线收发芯片。该芯片使用43MH ISM频
2、段,是真正的单片UH无线收发一体芯片,他在一个20脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、PL合成、FSK调制、F解调、多频道切换等,是目前集成度最高的无线数传产品1。无线射频模块采用在板差分环形天线，天线端口的负载阻抗为38，其电路原理见图1，图中列出了各外围元件的参数，其中1口为无线射频模块与控制模块的接口。硬件电路的设计要点如下：（1）射频电路对于电源噪声相当敏感,必须采用星形布线的方法使数字部分和RF部分有各自的电源线路,并且应在靠近集成电路电源引脚处分别去耦。（2）外接V电感应选用高频电感，Q4,精度为2，本设计采用深圳顺百科技有限公司的LQW18AN2NG00,电感的精度对无线通信的距
3、离有较大的影响，也可使用精度为5%的,但通信距离会大大减小。VC电感连线应与其他控制线保持一定的距离，应避免数字控制线从电感引脚之间经过，并且应该使VCO电感元件的中心距离nRF401的1,CO引脚焊盘的中心5.4m左右,电感元件的选择与布局很重要,是设计成败的关键点。（3)在电路板的正反两面均使用大面积铺铜作为接地面,使所有的器件容易去耦，两面的铺铜应使用多个过孔相连,所有对地线层的连接必须尽量短,接地过孔应放置在非常靠近元件的焊盘处。 (4)天线的设计使用PCB板的环形天线，尺寸为35mm20mm，天线增益为11d，天线阻抗为380,天线应位于PB板的顶部，天线部分不要铺铜，有关环形天线的
4、设计可参考Nori公司的技术文档nA4-3和nN40005。 (5)如果PCB板的V电感设计合理，当模块处于接收状态时,nF40的第管脚电压为1.10.。2 控制模块的设计 控制模块负责对无线射频模块状态切换及信道切换的控制,选用华邦单片机W7E58，控制模块的设计分为硬件电路的设计和软件的设计两部分。 . 硬件电路的设计 E58速度高,工作频率可扩展到40z，使用与8051/2同样的晶振运行时间比8052快.倍，且其片内自带两个RT串口，串口用于与外部的串口设备通信，串口1用于与无线收发模块通信,其中6口为控制模块与无线射频模块的接口,J2口为控制模块与外部串口设备通信的接口,可以采用简单的
5、三线通信方式,也可以加上流控信号TS，通过TL电平对eset管脚的控制可以实现对智能无线数传模块的复位。J口与外部串口设备可以以RS232或TL电平的形式进行通信,通信形式的选择通过对接口J3、J4、5的跳线设置,MX32及外围的电容元件均可采用贴片器件,以缩小PCB板空间。通过P2.5，P.6，P27分别对无线射频模块的待机状态与工作状态的切换，收发状态的切换、信道的切换进行控制。 2.2 软件的设计 W7758片内自带有两个串口，其中串口0可以使用定时器T或定时器T2作为波特率发生器;串口1只能使用定时器T作为其波特率发生器4。本设计中采用T2做为串口0的波特率发生器，采用T1做为串口1的
6、波特率发生器，两个串口均工作在串口模式1,波特率为90/，串口占用了第号中断，使用SCO,SBUF做为其串口控制寄存器和串口数据缓冲器；串口1则占用了第7号中断，SN1,SBF1做为其串口控制寄存器和串口数据缓冲器。对串口的初始化函数为it_serialport（),函数定义如下： 在无线通信的过程中,由于外部环境的干扰，通常误码率比较高,即使发射方不发送数据，接收方仍会经常接收到由于外部干扰而产生的乱数据,为了在接收的过程中区分接收到的数据是否为有效数据,必须有一定的通信协议: （1）两个串口的数据发送均采用查询方式，数据接收均使用中断方式; (2)数据帧包括帧首和数据两部分，帧首使用双字节
7、0x55AA,数据部分为B,即每帧占用3B,帧首和数据部分均采用十六进制ASCI码传送，确保协议的透明性; (3)接收方如果接收到0x55 0xAA字节，则说明接收到有效的数据帧,否则将该帧丢弃。如果硬件电路设计合理，元器件的选择恰当,再加上以上简单的通信协议,则可将误码率控制在0.2以下。 单片机上电后,首先对系统和串口进行初始化，然后单片机进入待机模式,直到两个串口中的一个发生中断硬转为工作模式,处理中断程序。主要的程序代码如下:3 硬件电路的测试 本设计中将控制模块和无线射频模式分开设计，控制模块通过一单排脚的接口控制射频模块，测试的步骤如下： (1)将控制模块和无线射频模块焊好,检查确
8、认无虚焊、粘焊; (2)先对控制模块上电进行测试，主要是测试控制模块的串口0和串口能否相互收发数据，测试方法是通过板上跳线将串口0设置为R22标准,由于板上的串口1只有TL电平标准,必须外加电平转换电路将其转换为S23标准,然后将两个串口分别接到计算机的两个串口上，将以上的程序写到W7E58上,然后用串口测试软件测试，如果串口0,1能相互收发数据，便可开始对无线射频模块进行测试;（3)将无线射频模块的口与控制模块的J6口焊接起来,上电进行测试,按照以上的程序,上电时处于接收状态，可对TXEN,PWUP，S等管脚进行测试，看是否与程序吻合； (4)确认射频模块上电处于接收状态后，可测试nRF40
9、1地第管脚是否为1.1V左右,如果是，则说明VCO电感设计合理，否则要重新设计PCB板,此外，nRF40在没有数据接收时,仍会自动从DO发送随机数据，使用万用表进行测试时该引脚电压应为2.V左右4。如有示波器可做更详细的测试。 4 结语 由无线收发芯片nRF01、单片机77E58、接口芯片MAX23等组成了一个智能控制无线收发装置，该装置具有通用性，可嵌入到各种仪器仪表数据采集系统、遥控遥测系统中,实现无线数据的双向传输。供应nRF01模块微功率无线射频通信模块块特点:1.微功率发射，最大发射功率0mW。 2.ISM频段,无需申请频点。载频频率33MHz，也可提供86/1Mz载频。 3.高抗干
10、扰能力和低误码率。基于F的调制方式，采用高效前向纠错信道编码技术,提高了数据抗突发干扰和随机干扰的能力,在信道误码率为02时，可得到实际误码率105106。 4.传输距离远。在视距情况下,天线高度2米,可靠传输距离可达30000m(BR=120bps）。5.透明的数据传输。提供透明的数据接口,能适应任何标准或非标准的用户协议。自动过滤掉空中产生的假数据(所收即所发)。 6.多信道。R系列标准配置提供8个信道，如果用户需要，可扩展到6/32/64信道。满足用户多种通信组合方式。7双串口，3种接口方式。STR系列提供2个串口3种接口方式,CO为TTL电平UT接口。COM2由用户自定义为标准的RS-
11、232/RS-85口（用户只需要拔插位短路器再上电即可定义)。 8大的数据缓冲区。接口波特率为120/240/4800/900/192/00p,格式为N/81用户自定义，可传输无限长的数据帧,用户编程更灵活。 9智能数据控制，用户无需编制多余的程序。即使是半双工通信，用户也无需编制多余的程序,只要从接口收/发数据即可,其它如空中收发转换,控制等操作,SR自动完成。 10低功耗及休眠功能。5V供电情况下,接收电流 概述所设计的无线数传模块由单片射频收发芯片nR41、T89C5微控制器和MAX316接口芯片构成，工作在433.92/434.33Hz频段；可方便地嵌入在各种测量和控制系统中进行无线数
12、据传输,在车辆监控、无线抄表、无线23数据通信、计算机遥控遥测系统中应用。 nRF401是北欧集成电路公司（ORDC）的产品,是一个为433Mz ISM频段设计的真正单片HF无线收发芯片，满足欧洲电信工业标准(ETI）EN30 0-1V.21。它采用K调制解调技术，最高工作速率可以达到0，发射功率可以调整,最大发射功率是+10dBm。n01的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。它要求非常少的外围元件(约0个），无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4Mz晶体,收发天线合一。无需进行初始去万通商联上面找生意！始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码,有两个工
13、作频宽(433.92434.3z）,工作电压范围可以从.-V，还具有待机模式,可以更省电和高效。n0无线收发芯片的结构框图如图1所示:内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。发射电路包含有:射频功率放大器、锁相环（），压控振荡器（O)，频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器,产生电路所需的基准频率。 其主要特性如下: 工作频率为国际通用的数传频段 SK调制,抗干扰能力强,特别适合工业控制场合； 采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好;灵敏度高,达到-05dm（nR); 功耗小,接收状态50 ,待机状态仅为8 （nRF41）; 最大发射功率达 +0dB
14、m ； 低工作电压(.）,可满足低功耗设备的要求； 具有多个频道,可方便地切换工作频率; 工作速率最高可达0Kbi/s(F41）； 仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件,基本无需调试； 因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米 (与具体使用环境及元件参数有关)。引脚排列和功能RF40无线收发芯片具有20个引脚。重要时序参数 TX与R之间的切换 当从R切换到X模式时,数据输入脚(DIN）必须保持为高至少1ms才能收发数据。当从TX切换到RX时,数据输出脚（U）要至少3ms以后有数据输出。Stanb与X之间的切换从待机模式到接收模式,当PWR_UP输入设成1时，经过tS时间后,DOU脚输出数据才有效。对 R401来说,S最长的时间是3ms。 从待机模式到发射模式,所需稳定的最大时间是T。Pwer Up与T间的切换从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射,在上电过程中XEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时,TXN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据。 从上电到接收模式过程中,芯片将不会接收数据,UT也不会有数据输出，直到电压稳定达到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振荡器，这个时间可以缩短到3s。应用电路及设计应
