兼容RS-232的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線接口設(shè)計(jì)(圖)

本文設(shè)計(jì)了基于RF芯片nRF2401的兼容RS-232的無線數(shù)傳模塊，給出了系統(tǒng)的硬件電路及相關(guān)軟件設(shè)計(jì)的解決方案。

前言
隨著通信、信息技術(shù)和微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，短距離無線通信的應(yīng)用步伐不斷加快。在短距離無線數(shù)據(jù)通信中，目前最為成熟的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是：Bluetooth, 802.11(Wi_Fi)和IrDA。RFID和UWB憑借其獨(dú)有的特點(diǎn)成為短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的后起之秀。

RS-232接口標(biāo)準(zhǔn)是一種廣泛的普及標(biāo)準(zhǔn)，但此標(biāo)準(zhǔn)推出較早，在現(xiàn)代金融、保險(xiǎn)、電信和電子化網(wǎng)絡(luò)中已暴露出明顯的問題：信號(hào)線易受外界干擾；RS-232采取不平衡傳輸方式，其共模抑制能力差，再加上雙絞線上的分布電容，其傳送距離最大約為15m。由于上述問題的存在，導(dǎo)致RS-232串口數(shù)據(jù)線對(duì)電壓浪涌特別敏感。目前，非交流電源線路的浪涌所引起的損害占據(jù)全部浪涌損害的一大部分。其后果是：硬件損壞、數(shù)據(jù)丟失、通信中斷以及由此引起停機(jī)。

為了改進(jìn)RS-232通信距離短、易受外界干擾的缺點(diǎn)和滿足PC系統(tǒng)需要增加無線數(shù)據(jù)傳輸功能的需要，設(shè)計(jì)了基于RF芯片nRF2401的兼容RS232的無線數(shù)傳模塊。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)
nRF2401采用 5mm×5mm的24引腳QFN封裝，具有突發(fā)傳遞和直接傳遞兩種工作模式。突發(fā)傳遞模式以低速率向nRF2401寫入待發(fā)數(shù)據(jù)，以高速率無線傳輸，盡量降低功耗。直接傳遞模式與傳統(tǒng)RF器件工作模式一致。

圖1 TTL/ RS232的邏輯電平轉(zhuǎn)換電路

nRF2401的主要特點(diǎn)：
● 全球開放的2.4GHz頻段，125個(gè)頻道，滿足多頻及跳頻需要。
● 高速率( 1Mb/s)，優(yōu)于藍(lán)牙技術(shù)。
● 外圍元件極少，電壓范圍為1.9～3.6V，電流消耗很小，功耗很低。
● 發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟件設(shè)置。
● 芯片內(nèi)部設(shè)有專門的穩(wěn)壓電路，且無須外部SAW濾波器。
● 獨(dú)特設(shè)計(jì)：采用DuoCeiver 技術(shù)可同時(shí)接收兩個(gè)nRF2401的數(shù)據(jù)。
● 可通過軟件設(shè)置最多40位地址，且只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)。
● 內(nèi)置CRC校驗(yàn)硬件電路和協(xié)議，有數(shù)據(jù)時(shí)隙和數(shù)據(jù)時(shí)鐘恢復(fù)功能。

1 nRF2401的高頻頭設(shè)計(jì)
nRF2401芯片以及其外圍元件電路組成了發(fā)送接收模塊?？紤]到電磁兼容性，nRF2401的應(yīng)用電路單獨(dú)做成一塊PCB。高頻模塊使用雙層PCB，PCB設(shè)計(jì)中大量使用過孔，使頂層和底層的地充分接觸，PCB的空余部分大面積連續(xù)接地。

圖2 MCU與nRF2401的直連方式

2 接口電路設(shè)計(jì)
RS232信號(hào)在正負(fù)電平之間擺動(dòng)。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送端驅(qū)動(dòng)器輸出正電平在+5～+15V，負(fù)電平在-5～-15V。從開始傳送數(shù)據(jù)到結(jié)束，線上電平從TTL電平到RS-232電平再返回TTL電平。接收器典型的工作電平在+3～+12V與-3～-12V。選用MAX3232芯片作TTL/ RS232的邏輯電平轉(zhuǎn)換。圖1為TTL/ RS232邏輯電平轉(zhuǎn)換的原理圖電路。其中C16、C20使用1uF獨(dú)石電容，C17、C19使用0.1μF獨(dú)石電容。

MCU與nRF2401的連接采用I/O口直接連接方式。原理圖如圖2所示。連接電路中采用電阻分壓網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)AT89S52與 nRF2401的數(shù)據(jù)交互。

3 軟件設(shè)計(jì)
nRF2401的ShockBurstTM RX/TX模式采用片上 FIFO來進(jìn)行低數(shù)據(jù)率的時(shí)鐘同步和高數(shù)據(jù)率的傳輸，因此極大地降低了功耗。ShockBurstTM發(fā)射主要通過MCU接口引腳CE、CLK1和DATA來完成。當(dāng)MCU請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，置CE為高電平，此時(shí)的接收機(jī)地址和有效載荷數(shù)據(jù)作為nRF2401的內(nèi)部時(shí)鐘，可用請(qǐng)求協(xié)議或MCU將速率調(diào)至1Mb/s；置CE為低電平可激活ShockBurstTM發(fā)射。nRF2401在突發(fā)模式下的幀格式如表1所示。

圖3 程序流程圖

程序流程圖如圖3所示。
nRF2401具有144位狀態(tài)字?？刂破鲗RF2401設(shè)置為配置方式，然后由通道1向nRF2401寫入狀態(tài)字的配置值，寫時(shí)高位在前。配置方式下控制器寫狀態(tài)字的過程與激活方式下向nRF2401寫入數(shù)據(jù)的過程完全相同，都經(jīng)由CLK、DR和DATA組成的三線接口完成。

在配置模式下，將nRF2401配置為ShockBurstTM收發(fā)模式，該模式下使nRF2401能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，在nRF2401工作過程中，只需改變其最低一字節(jié)中的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式的轉(zhuǎn)換。ShockBurstTM的配置字由數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、地址和CRC四部分組成。

程序中對(duì)狀態(tài)字后的120位進(jìn)行配置,其值為0x20 4000 DDDDDD DD 00CC CCCC CC83 6E05。配置后nRF2401的通道1數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度為8字節(jié)，地址段長(zhǎng)度為32位，通道1硬件地址為0x CCCCCCCC，使能16位CRC校驗(yàn)，單通道接收，工作于突發(fā)傳遞模式下，通信速率為1Mb/s，晶振頻率為16MHz,輸出功率-5dbm，工作頻段為2402MHz。

①發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的程序設(shè)計(jì)
   void ShockBurstTrans(){
  unsigned char ByteNum;
  MODE_RT;
  Delay202();
  for(ByteNum=0;ByteNum<14;ByteNum++)
   WriteTo2401(TXData[i]);
  CE=0;
  DATA=0;
   }
   數(shù)據(jù)接收設(shè)置為中斷服務(wù)程序方式。中斷服務(wù)程序如下：
   void ReceiveShock（）interrupt 0 using 3{
   unsigned char ByteNum;
   DATA=1;
   for(ByteNum=0;

ByteNum<8;ByteNum++)
    RXData[ByteNum]=ReadFrom2401();
   }
② 串行口程序設(shè)計(jì)
采用中斷方式進(jìn)行串口管理。串行通信中對(duì)數(shù)據(jù)流的處理采用突發(fā)處理方式。針對(duì)RAM空間有限的情況，利用軟件模擬FIFO寄存器結(jié)構(gòu)。
串口的接收和發(fā)送工作是相對(duì)獨(dú)立的，構(gòu)建兩個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)來實(shí)現(xiàn)具有FIFO功能的緩沖區(qū)隊(duì)列。每一個(gè)環(huán)形緩沖區(qū)都對(duì)應(yīng)有寫入(Ptr_Wr)和讀出(Ptr_ Rd)兩個(gè)指針，從寫指針到讀指針之間的相對(duì)區(qū)域存儲(chǔ)的是待發(fā)送或已接收的數(shù)據(jù)，兩個(gè)指針的前后次序通過標(biāo)志位(bFlag_Order)判別，當(dāng)它們的位置重合時(shí)則表示沒有有效數(shù)據(jù)。讀寫指針相對(duì)位置與存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)之間的關(guān)系如圖4所示。陰影部分表示有效數(shù)據(jù)。

圖4 讀寫指針相對(duì)位置與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)之間的關(guān)系示意圖

    
結(jié)論
隨著Internet的飛速發(fā)展，從WAN到MAN，再到LAN、PAN，這些技術(shù)已逐漸成熟。無線網(wǎng)絡(luò)在各類網(wǎng)絡(luò)中最具增長(zhǎng)潛力。由于各種無線標(biāo)準(zhǔn)自身的技術(shù)也有待于不斷完善和提高，無線技術(shù)的應(yīng)用還有很大的市場(chǎng)空間。

nRF2401是一款性價(jià)比很高的單片無線收發(fā)芯片，利用AT89S52和nRF2401芯片設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，成本低，體積小，應(yīng)用靈活，具有良好的通用性和可靠性。通過調(diào)試結(jié)果表明，nRF2401芯片可以與微控制器連接實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了PC之間的無線通信，并且通信質(zhì)量可靠穩(wěn)定。