基于51單片機實現(xiàn)短距離無線通信

1 引言

短距離無線傳輸具有抗干擾性能強、可靠性高、安全性好、受地理條件限制少、安裝靈活等優(yōu)點，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。低功耗、微型化是用戶對當(dāng)前無線通信產(chǎn)品尤其是便攜產(chǎn)品的實際需求，短距離無線通信逐漸引起廣泛關(guān)注。常見的短距離無線通信有基于802．11的無線局域網(wǎng)WLAN、藍牙(blueTooth)、HomeRF及歐洲的HiperLAN(高性能無線局域網(wǎng))，但其硬件設(shè)計、接口方式、通信協(xié)議及軟件堆棧復(fù)雜，需專門的開發(fā)系統(tǒng)，開發(fā)成本高、周期長，最終產(chǎn)品成本也高。因此這些技術(shù)在嵌入式系統(tǒng)中并未得到廣泛應(yīng)用。普通RF產(chǎn)品不存在這些問題，且短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)成熟，功能簡單、攜帶方便，使其在嵌入式短程無線產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。

2 PTR2000引腳簡介及設(shè)計

2．1 PTR2000器件引腳功能

 PTR2000是基于nRF401器件的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，采用低發(fā)射頻率、高靈敏度設(shè)計。該器件使用433 MHz頻段，是真正的單片UHF無線收發(fā)一體器件，其工作模式包括工作頻道的設(shè)置和發(fā)送、接收、待機狀態(tài)，由TXEN、CS、PWM 3個引腳共同決定，其工作模式設(shè)置如表1所示。

2．2 PrR2000模塊設(shè)計

該器件外圍的主要電路有以下兩個：
    (1)與單片機的連接電路單片機AT89C52的RXD和TXD引腳與PTR2000模塊的DO和DI引腳直接相連。PTR2000的模式控制引腳與單片機的控制引腳相連。
    (2)與PC機的連接電路采用MAX202器件對PTR2000模塊和計算機串口進行RS-232和TTL電平轉(zhuǎn)換，將PTR2000與MAX202的輸入和輸出信號連接，轉(zhuǎn)換后的信號與計算機的串口連接。

3 硬件設(shè)計

在無法使用有線傳輸?shù)膱龊?，采用無線數(shù)據(jù)傳輸模塊和單片機相結(jié)合進行數(shù)據(jù)傳輸是較合理的方案。PTR2000利用串口進行數(shù)據(jù)傳輸，而單片機和PC機均帶有串口，因此，可利用PTR2000作為單片機和PC機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線接口，其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

該采集系統(tǒng)主要以AT89C52單片機為控制處理核心。由它完成對數(shù)據(jù)的采集處理以及控制數(shù)據(jù)的無線傳輸。AT89C52單片機具有快速8051內(nèi)核、8 KB Flash E2PROM、256字節(jié)RAM。為實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸，采用無限收發(fā)一體數(shù)據(jù)傳送MODEM模塊PTR2000器件，該器件內(nèi)部集成高頻接收、PLL合成、PSK調(diào)制／解調(diào)、參量放大、功率放大、頻道切換等功能，完全符合無線數(shù)據(jù)通信的硬件要求。為降低成本，在最小硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，利用C51高級C語言編程，系統(tǒng)的功能盡可能用軟件程序?qū)崿F(xiàn)。

3．1 單片機的時鐘電路和復(fù)位電路設(shè)計

單片機時鐘電路設(shè)計中，選擇晶振頻率11．059 2 MHz，約定PC機和單片機的通信速率為9 600 b／s，并選擇相應(yīng)電容與單片機的時鐘引腳相連構(gòu)成時鐘回路。在復(fù)位電路設(shè)計中，采用復(fù)位引腳和相應(yīng)的電容、電阻構(gòu)成復(fù)位電路。單片機與PTR2000接口原理電路如圖2所示。

3．2 單片機與PTR2000接口電路的設(shè)計

在圖2中，AT89C52單片機主要完成數(shù)據(jù)的采集和處理，向PTR2000模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收由PC機通過PTR2000傳送的數(shù)據(jù)。和單片機相連的PTR2000模塊主要將單片機的待傳數(shù)據(jù)調(diào)制成射頻信號，再發(fā)送到PC機端的PTR2000模塊，同時接收PC機端的PTR2000模塊傳送的射頻信號，并調(diào)制成單片機可識別的TTL信號送至單片機。單片機的RXD和TXD引腳分別和PTR2000的DO和DI引腳連接，實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸；決定PTR2000模塊工作模式的TXEN、CS、PWR 3個引腳分別和單片機I／O控制口的P2．0～P2．2相連，PTR2000工作時，由單片機中的運行控制程序?qū)崟r控制其工作模式。

3．3 PC機與PTR2000接口電路的設(shè)計

該接口電路設(shè)計首先需進行電平轉(zhuǎn)換。PC機的串口支持RS-232標(biāo)準(zhǔn)，而PTR2000模塊支持TTL電平，選擇MAX232器件進行兩者間的電平轉(zhuǎn)換，接口電路如圖3所示。PTR2000模塊進行串行輸入、輸出，引腳DI、DO通過電平轉(zhuǎn)換器件和PC機串口相連；PTR2000的低功耗控制引腳。PWR接高電平VCC，即PTR2000固定工作在正常工作狀態(tài)；頻道選擇引腳CS接GND低電平，即采用固定通信頻道1，固定工作在433．92 MHz；PC機串口的RTS信號控制TXEN引腳，以決定PTR2000模塊何時為接收和發(fā)射狀態(tài)。PC機和串口的傳輸速率設(shè)定為9 600 b／s，和單片機保持一致。

4 軟件設(shè)計

無線通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括單片機端和PC機端兩部分，兩部分軟件相互配合，設(shè)置各自的PTR2000模塊的工作狀態(tài)。

4．1 PTR2000模塊程序設(shè)計

單片機和PC機端軟件配合設(shè)置PTR2000的狀態(tài)(發(fā)射或接收)，選擇固定的通信頻道1(CS=0)，并讓PTR2000模塊一直處于正常工作狀態(tài)(PWM=1)。無線通信實現(xiàn)過程如下：
    (1)發(fā)送在發(fā)送數(shù)據(jù)之前，應(yīng)將PTR2000模塊置于發(fā)射模式，即TXEN=1。然后等待至少5 ms后(接收到發(fā)射的切換時間)才可發(fā)射數(shù)據(jù)。發(fā)送結(jié)束后，應(yīng)將模塊置于接收狀態(tài)，即TXEN=0。
    (2)接收應(yīng)將PTR2000置于接收模式，即TXEN=0。單片機不發(fā)送的絕大部分時間都處于接收狀態(tài)。當(dāng)單片機端發(fā)送時，PC機端應(yīng)為接收；當(dāng)PC機端發(fā)送時，單片機端應(yīng)為接收。

4．2 串行無線通信協(xié)議設(shè)計

無線通信中，由于外部環(huán)境的干擾，通常誤碼率較高，因此通信協(xié)議的設(shè)計對保證通信的可靠性十分重要。協(xié)議的設(shè)計主要是幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在該無線通信系統(tǒng)中，存在指令幀和數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容包括起始字節(jié)、數(shù)據(jù)長度字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)、結(jié)束字節(jié)和校驗和字節(jié)，如表2所示。

起始字節(jié)定義為“$”字符，其數(shù)值為0x24；結(jié)束字節(jié)定義為“*”字符，其數(shù)值為0x2A。

采用校驗和的方法進行幀的校驗，將所有字節(jié)相加，然后將結(jié)果截短到所需的位長。發(fā)送端對待發(fā)送的數(shù)據(jù)進行校驗和計算，將校驗和值放在數(shù)據(jù)后一起發(fā)送；在接收端，對接收到的數(shù)據(jù)進行校驗和計算，然后與收到的校驗和字節(jié)比較，進行誤碼判斷。

對于單片機，指令幀主要有3種：PC機發(fā)送給單片機的請求發(fā)送指令、錯誤／超時重發(fā)指令、單片機發(fā)給PC機的發(fā)送完畢指令。在該系統(tǒng)設(shè)計中指令幀采用數(shù)據(jù)幀的格式，將其中的。數(shù)據(jù)字節(jié)固定為一個字節(jié)，根據(jù)定義的字節(jié)判斷數(shù)據(jù)狀態(tài)。

4．3 程序流程

單片機開始需將無線數(shù)據(jù)傳輸模塊PTR2000設(shè)置處于接收狀態(tài)，通過串口中斷識別由PC機通過無線信道傳輸來的指令，根據(jù)接收指令的內(nèi)容采集數(shù)據(jù)并啟動發(fā)送。發(fā)送前需將PTR2000模塊設(shè)置為發(fā)射狀態(tài)，且等待5 ms才可發(fā)送，發(fā)送完畢后，向PC機端發(fā)送“發(fā)送結(jié)束指令”，并將PTR2000模塊重設(shè)為接收狀態(tài)。圖4為系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖。

5 結(jié)束語

單片機無線通信系統(tǒng)設(shè)計基于PTR2000無線數(shù)據(jù)傳輸解決方案，可實現(xiàn)小于300 m的短距離通信，通過實驗驗證該無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)運行良好，單片機控制得相當(dāng)準(zhǔn)確。在應(yīng)用時將系統(tǒng)作為一個模塊可方便地移植，以便構(gòu)建更為復(fù)雜的無線通信網(wǎng)絡(luò)，可應(yīng)用于小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、安全防火系統(tǒng)等領(lǐng)域，具有一定實用價值。