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1、目 录中文摘要I英文摘要II1 绪论11.1 无线网络的应用价值11.2 现有的无线模块介绍11.2.1 CC110011.2.2 nRF90511.2.3 nRF240111.3 无线通信协21.4 CSMA/CA无线网络设计实现与应用32 无线通信网络的实现42.1 单片机与无线模块42.1.1 51单片机的性能与使用42.1.2 nRF2401的特性42.1.3 单片机与无线模块的接口SPI总线52.1.4 无线模块的工作模式62.1.5 配置无线模块实现点对点的通信72.2 无线通信网络82.2.1无线网络的概念82.2.2点对多点的无线网络实现82.3 单片机的rs232串口在通信过
2、程中的应用82.3.1单片机的rs232串口的原理82.3.2单片机的rs232串口在无线网络设计调试中的应用93 CSMA-CA的多点多主机式无线网络的具体实现方法94 网络系统的主要流程图114.1基站的流程图114.2网络系统流程图125 硬件电路设计介绍135.1系统电平介绍135.1.1 TTL电平标准135.1.2 两种电平供电与转化的解决方案135.2单片机相关电路135.2.1 单片机复位电路145.2.2 晶振电路155.2.3单片机串口电路165.3单片机与nRF2401接口电路165.3.1 电平转化175.3.2 单片机和nRF2401的连接175.4系统总体电路图17
3、6 结论18致 谢19参考文献20附录120附录222附录322附录423附录527附录628I1 绪论1.1 无线网络的应用价值无线网络的历史起源可以追溯到50年前第二次世界大战期间。当时，美国陆军研发出了一套无线电传输技术，采用无线电信号进行资料的传输。这项技术令许多学者产生了灵感。1971年，夏威夷大学的研究员创建了第一个无线电通讯网络，称作ALOHNET。这个网络包含7台计算机，采用双向星型拓扑连接，横跨夏威夷的四座岛屿，中心计算机放置在瓦胡岛上。从此，无线网络正式诞生。 近些年来由于电子科技的发展无线网络灵活性和移动性，安装便捷，易于进行网络规划和调整。故障定位容易，易于扩展等优点被
4、凸显的淋漓尽致。因此其发展十分迅速。最近几年，无线局域网已经在企业、医院、商店、工厂和学校等场合得到了广泛的应用。1.2 现有的无线模块介绍1.2.1 CC1100 它是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在315、433、868和915MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为300-348 MHz、400-464 MHz和800-928 MHz的其他频率。它还为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。CC1100为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评
5、估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。1.2.2 nRF905 它的RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，在915M频段其数据传输率可达500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。1.2.3 nRF2401它是是一款工作在2.42.5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片，它内部无线收发器的频率发生器具有增强型SchockBurstTM 模式，能高效的与低速或中速CPU结合提高发射速度和效率。此外它内部的功率控制器，晶体振荡器，调制器，解调器，输出功率频道选择和协议的设置都可以通过SPI 接口方便的
6、被CPU设置。他功耗极低当工作在发射模式下发射功率为-6dBm 时电流消耗为9.0mA 接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。1.3 无线通信协目前比较常用的无线网络协议有如下四种：IEEE802.11系列协议： 作为全球公认的局域网权威，IEEE 802工作组建立的标准在局域网领域内得到了广泛应用。这些协议包括802.3以太网协议、802.5令牌环协议和802.3z100BASE-T快速以太网协议等。IEEE于1997年发布了无线局域网领域第一个在国际上被认可的协议802.11协议。1999年9月，IEEE提出802.11b协议，用于对802.11协议进行补充，之后又推
7、出了802.11a、802.11g等一系列协议，从而进一步完善了无线局域网规范。 蓝牙规范（Bluetooth）： 蓝牙规范是由SIG（特别兴趣小组）制定的一个公共的、无需许可证的规范，其目的是实现短距离无线语音和数据通信。蓝牙技术工作于2.4GHz的ISM频段，基带部分的数据速率为1Mbit/s，有效无线通信距离为10100m，采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙技术采用自动寻道技术和快速跳频技术保证传输的可靠性，具有全向传输能力，但不需对连接设备进行定向。在任意时间，只要蓝牙技术产品进入彼此有效范围之内，它们就会立即传输地址信息并组建成网，这一切工作都是设备自动完成的，无需用户参与。
8、HomeRF标:准HomeRF工作组于1998年为在家庭范围内实现语音和数据的无线通信制订出一个规范，即共享无线访问协议（SWAP）。该协议主要针对家庭无线局域网，其数据通信采用简化的IEEE802.11协议标准。HomeRF标准采用扩频技术，工作在2.4GHz频带，可同步支持4条高质量语音信道并且具有低功耗的优点，适合用于笔记本电脑。 HyperLAN/2标准： 2002年2月，ETI的宽带无线接入网络（Broadband Radio Access Networks，BRAN）小组公布了HiperLAN/2标准。HiperLAN/2标准由全球论坛（H2GF）开发并制定，在5GHz的频段上运行
9、，并采用OFDM调制方式，物理层最高速率可达54Mbit/s，是一种高性能的局域网标准。HyperLAN/2标准定义了动态频率选择、无线小区切换、链路适配、多波束天线和功率控制等多种信令和测量方法，用来支持无线网络的功能。基于HyperRF标准的网络有其特定的应用，可以用于企业局域网的最后一部分网段，支持用户在子网之间的IP移动性。在热点地区，为商业人士提供远端高速接入因特网的服务，以及作为W-CDMA系统的补充，用于3G的接入技术，使用户可以在两种网络之间移动或进行业务的自动切换，而不影响通信。1.4 CSMA/CA无线网络设计实现与应用CSMA/CA协议的工作流程分为两个分别是:送出数据前
10、，监听媒体状态，发现媒体空闲时，维持一段时间后，再等待一段随机的时间后依然没有被使用，才送出数据。由於每个设备采用的随机时间不同，所以可以减少冲突的机会。 送出数据前，先送一段小小的请求传送报文(RTS: Request to Send)给目标端，等待目标端回应 CTS: Clear to Send 报文后，才开始传送。 利用RTS-CTS握手(handshake)程序，确保接下来传送资料时，不会被碰撞。 同时由於RTS-CTS封包都很小，让传送的无效开销变小。CSMA/CA通过这两种方式来提供无线的共享访问，这种显式的ACK机制在处理无线问题时非常有效。然而不管是对于802.11还是802.
11、3来说，这种方式都增加了额外的负担，所以802.11网络和类似的Ethernet网比较总是在性能上稍逊一筹。 以协议为依据，用89s52单片机模拟SPI总线控制nRF2401无线模块，通过对无线模块合理的配置，可很容易的在物理层和数据链路层实现符合协议要求点对点的通信。接下来我们模拟以上两条协议，安排合理的路由方式以及传输层无重复无丢失的传输控制协议。即可实现一个具有CSMACA意义的无线通信网络。并且基于这个网络，我们设计了一个具有，及步进电机控制，和LCD中文操作菜单界面的简单预警系统（应用部分由队友完成）。2 无线通信网络的实现2.1 单片机与无线模块2.1.1 51单片机的性能与使用本
12、设计选用被普及使用的性价比很高的微处理器AT89S52作为系统核心，它是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。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。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。 它还有256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16 位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口， 片内晶振及时钟电路。
13、另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结， 单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。它来控制nRF2401可以很好的互相配合，发挥各自的功能。2.1.2 nRF2401的特性(1) 2.4GHz 全球开放ISM 频段免许可证使用。(2) 最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。(3) 126 频道，满足多点通信和跳频通信需要。(4) 内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制。(5)
14、 低功耗1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态为22uA；掉电模式下为900nA。(6) 内置2.4GHz 天线，体积小巧15mm X29mm。(7) 模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示)，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便。(8) 内置专门稳压电路，使用各种电源包括DC/DC 开关电源均有很好的通信效果。(9)与51系列单片机P0口连接时候，需要加10K的上拉电阻,与其余口连接不需要上拉电阻。关于nRF2401的内部模块结构图参照下图2-1：图2-1 nRF2401的内部模块结构图2.1.3 单片机与无线模块的接口SPI总线SPI 就是串行外围设备接口，
15、是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为PCB 的布局上节省空间，提供方便。该接口一般使用4 条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/从机输出数据线MISO、主机输出/从机输入数据线MOSI和低电平有效的从机选择线SS（有的SPI 接口芯片带有中断信号线INT 或INT、有的SPI 接口芯片没有主机输出/从机输入数据线MOSI）。SPI 的工作模式有两种：主模式和从模式，无论那种模式，都支持3Mbit/s的速率，并且还具有传输完成标志和写冲突保护标志。SPI总线时序格式如下图2-2：图2-2 SPI总线时序格式2.1.4无线模块的工作模式nRF2401工作模式有四种：其中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，第四种模式为掉电等待模式。收发模式由器件配置字决定，由于篇幅所限这里只介绍将Enhanced ShockBurstTM收发模式及其配置和应用。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，这样可以尽量节能，
