基于nRF401 的無線通訊系統(tǒng)及應(yīng)用

1. 引言
    在儀器儀表及測(cè)控技術(shù)中，無線數(shù)據(jù)通信以其節(jié)省傳輸線、使用方便等優(yōu)點(diǎn)被廣泛關(guān)注。中短距離（小于500 米）的無線通信在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、無線抄表、計(jì)算機(jī)遙測(cè)遙控系統(tǒng)、車輛監(jiān)控系統(tǒng)和小區(qū)管理等實(shí)際應(yīng)用中有廣泛的市場(chǎng)。在眾多的無線收發(fā)芯片中，nRF401以其成本低、可靠性高、外圍設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單廣受歡迎，然而由于通信空間的復(fù)雜性，無線通訊系統(tǒng)很容易收到誤碼，即使在發(fā)送端不發(fā)送數(shù)據(jù)的情況下，接收端也仍然會(huì)接收到大量的干擾數(shù)據(jù)。在一個(gè)中等規(guī)模的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CPU 要進(jìn)行多種操作，如外部存儲(chǔ)器的訪問，傳感器數(shù)據(jù)的處理等，因此無線通訊干擾信息較多時(shí)，特別是在中斷通訊模式下，頻繁的中斷將嚴(yán)重影響主程序的運(yùn)行，另外由于對(duì)nRF401 的操作除了控制輸入輸出外，還需要對(duì)nRF401的收發(fā)狀態(tài)、運(yùn)行模式切換，因此對(duì)于一個(gè)總線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)（如485 通訊模式），無線通訊部分也作為一個(gè)獨(dú)立ID 模塊時(shí)，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)處理遇到了困難。因此需要設(shè)置一個(gè)中間處理環(huán)節(jié)，既能有效過濾信息又不影響通訊速率。
 
    為解決上述問題，本設(shè)計(jì)基于nRF401 作為無線收發(fā)芯片，使用兩片AT89C2051 作為控制芯片，設(shè)計(jì)出一套無線通訊系統(tǒng)。其中一片AT89C2051（定義為控制芯片A）控制nRF401，AT89C2051 的IO 接口與串口配合控制nRF401 實(shí)現(xiàn)異步通訊；另一片AT89C2051（定義為控制芯片B）既能滿足總線串口的要求，又能解決控制芯片A 由于頻繁串行中斷而不能及時(shí)響應(yīng)總線的問題，起到分擔(dān)任務(wù)、隔離干擾、串口擴(kuò)展的作用。采用兩片2051單片機(jī)設(shè)計(jì)方法，與采用一片雙串口單片機(jī)設(shè)計(jì)相比，能降低成本、提高芯片利用率、隔離干擾。實(shí)踐表明該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，能很好解決短距離系統(tǒng)之間的無線通信問題。

2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
     系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)包括無線通訊模塊和通訊控制部分。
2.1 基于nRF401 的無線通訊模塊設(shè)計(jì)
    nRF401是Nordic公司研制的單片UHF無線收發(fā)芯片，工作在433MHz ISM頻段。在接收模式中，nRF401被配置成傳統(tǒng)的外差式接收機(jī)，所接收的射頻調(diào)制的數(shù)字信號(hào)被低噪聲放大器放大，經(jīng)混頻器變換成中頻，放大、濾波后進(jìn)入解調(diào)器。解調(diào)后變換成數(shù)字信號(hào)輸出(DOUT端)。在發(fā)射模式中，數(shù)字信號(hào)經(jīng)DIN端輸入，經(jīng)鎖相環(huán)和壓控振蕩器處理后進(jìn)入功率放大器射頻輸出。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了避免干擾，將基于nRF401的無線收發(fā)部分做在一塊單獨(dú)的PCB板上，引出通訊控制接口(J1)，組成獨(dú)立的無線收發(fā)模塊。
 
2.2 基于AT89C2051 的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    控制部分包括兩片AT89C2051，控制芯片A 負(fù)責(zé)處理無線收發(fā)模塊數(shù)據(jù)信息，并與控制芯片B 通過P1 口以中斷1 方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交流?？刂菩酒珺 負(fù)責(zé)處理來自串口的信息，并與控制芯片A 進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。由于兩片AT89C2051 以中斷方式并行傳輸模式傳輸數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)交換時(shí)間遠(yuǎn)小于單片機(jī)串口通訊時(shí)間，因此不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的半雙工通訊時(shí)間。為了滿足各種要求，串口通過跳線被設(shè)計(jì)成232 模式、485 模式和UART 模式。
 

3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1 通訊協(xié)議
    在無線通信的過程中，由于外部環(huán)境的干擾，通常誤碼率比較高，即使發(fā)射方不發(fā)送數(shù)據(jù)，接收方仍會(huì)經(jīng)常接收到由于外部干擾而產(chǎn)生的雜亂數(shù)據(jù)，為了在接收的過程中區(qū)分接收到的數(shù)據(jù)是否為有效數(shù)據(jù)，必須有一定的通信協(xié)議。在傳輸數(shù)據(jù)量不大時(shí)，為有效處理信息，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以下通訊協(xié)議：
1) 無線收發(fā)數(shù)據(jù)幀由３個(gè)字節(jié)組成，即８bit的標(biāo)識(shí)位(0xab)，８bit的數(shù)據(jù)位，８bit的校驗(yàn)位。
2) 無線收發(fā)數(shù)據(jù)幀格式
byte1 高四位為1010(0xa),低四位為數(shù)據(jù)的高四位

Byte2 高四位為1011(0xb),低四位為數(shù)據(jù)的低四位

Byte3 為byte1與byte2的異或值。
3 內(nèi)部單片機(jī)之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不包括標(biāo)識(shí)字節(jié)和校驗(yàn)字節(jié)。
4 系統(tǒng)與外部串行通訊時(shí),采用另外的通訊協(xié)議(如ModBus協(xié)議)。
5 外部輸入采用中斷方式，內(nèi)部循環(huán)采用查詢方式。
6 程序設(shè)計(jì)中，外部中斷優(yōu)先，以及時(shí)接收外部數(shù)據(jù)信息。
7 執(zhí)行某一中斷時(shí)，不響應(yīng)其他中斷。
8 無線通訊模塊平時(shí)處于接收狀態(tài)。

3.2 程序流程
    對(duì)于控制芯片A，接收無線收發(fā)模塊數(shù)據(jù)為串行中斷方式，接收控制芯片B 數(shù)據(jù)為外中斷1 方式。主程序運(yùn)行過程中始終處于檢測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)字循環(huán)方式，當(dāng)發(fā)送緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)（來自控制芯片B）時(shí)，主程序調(diào)用串行發(fā)送程序?qū)?shù)據(jù)經(jīng)串口、無線收發(fā)模塊發(fā)送出去；當(dāng)接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)（來自無線收發(fā)模塊）時(shí)，主程序調(diào)用并行發(fā)送程序?qū)?shù)據(jù)經(jīng)P1 口發(fā)送到控制芯片B。在設(shè)計(jì)應(yīng)將發(fā)送緩沖區(qū)和接收緩沖區(qū)設(shè)置為多字節(jié)，用來堆積不能及時(shí)轉(zhuǎn)移的數(shù)據(jù)?？刂菩酒珺 的程序流程與控制芯片A 流程相似，只是在接收串口數(shù)據(jù)時(shí)，控制芯片A 程序?qū)?shù)據(jù)幀的校驗(yàn)方式不同。
    圖4 為程序流程圖，其中UART()定義為串行中斷服務(wù)程序；Int1()定義為外部中斷1 中斷服務(wù)程序；TranByte 定義為發(fā)送緩存區(qū)；RecByte 定義為接收緩存區(qū)；Recsum 定義為接收緩存區(qū)計(jì)數(shù)；Transum 定義為發(fā)送緩存區(qū)計(jì)數(shù)；delay 定義為延時(shí)子程序；flag 定義為系統(tǒng)狀態(tài)控制字，其中flag.7 定義為接收緩存區(qū)狀態(tài)標(biāo)志；flag.6 定義為發(fā)送緩存區(qū)狀態(tài)標(biāo)志。
 

4. 在自主移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中的應(yīng)用
    在自主移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)中，可靠穩(wěn)定的通訊系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人與上位機(jī)、機(jī)器人與機(jī)器人之間的信息交換是十分重要的?；趎RF401 的無線通訊系統(tǒng)可以作為中小型自主移動(dòng)機(jī)器人的無線通訊部分，在應(yīng)用中，將該系統(tǒng)通過跳線設(shè)置為RS232 模式與計(jì)算機(jī)串口相連，另一套系統(tǒng)設(shè)置為UART 模式與機(jī)器人其它部分組成多機(jī)通訊系統(tǒng)，這樣便構(gòu)建了一個(gè)機(jī)器人與上位機(jī)的一套無線通訊系統(tǒng)。
 

5. 結(jié)論
    本文給出了一種基于nRF401 的無線通訊系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單、成本低廉、編程方便、可靠性高的特點(diǎn)?？梢苑奖愕貞?yīng)用于各種總線結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)中，作為其無線通訊部分，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的雙向傳輸。無線通訊系統(tǒng)傳輸?shù)陌踩院涂煽啃砸蕾囉诹己密浖O(shè)計(jì)，由于外界干擾，無線通訊系統(tǒng)很容易收到誤碼，無線通訊程序設(shè)計(jì)中采用的短幀結(jié)構(gòu)、三字節(jié)校驗(yàn)法，實(shí)踐證明對(duì)過濾誤碼是很有效的。另外測(cè)試表明在最高通訊速率范圍內(nèi)，適當(dāng)提高通訊速率可以減少誤碼率。