基于nRF905的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

1 引言

在許多測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸都是通過(guò)有線電纜實(shí)現(xiàn)的。隨著射頻、集成電路技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線通信功能的實(shí)現(xiàn)更容易，數(shù)據(jù)傳輸速率更快，抗干擾能力更強(qiáng)，因此，許多應(yīng)用采用了無(wú)線傳輸技術(shù)。無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸與有線數(shù)據(jù)傳輸相比，有諸多優(yōu)點(diǎn)：一是成本低，省去大量布線；二是建網(wǎng)快捷，只需在每個(gè)終端連接無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊和架設(shè)適當(dāng)高度天線；三是適應(yīng)性好，可應(yīng)用于某些特殊環(huán)境；四是擴(kuò)展性好，只需將設(shè)備與無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊相連接。因此，無(wú)線傳輸是一種有效數(shù)據(jù)傳輸方式。

2 nRF905簡(jiǎn)介

nRF905是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9 V～3.6 V。工作于433 MHz、868 MHz、915 MHz 3個(gè)ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650μs，最大數(shù)據(jù)速率為100 Kbit／s。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和GFSK調(diào)制器組成。無(wú)需外加聲表面濾波器，ShockBurst工作模式，自動(dòng)處理字頭和CRC，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便。此外，其功耗低，以-10 dBm輸出功率發(fā)射時(shí)電流僅11 mA，工作在接收模式時(shí)電流為12.5 mA，具有空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)功率管理。

nRF905具有兩種工作模式和兩種省電模式。工作模式包括：ShockBurst接收模式和ShockBurst發(fā)射模式。省電模式包括：掉電與SPI編程模式和待機(jī)與SPI編程模式。模式選擇由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP確定，如表1所示。

nRF905采用Nordic NLSI公司的ShockBurst技術(shù)。ShockBurst技術(shù)使nRF905能夠提供高速的數(shù)據(jù)傳輸而無(wú)需昂貴的高速M(fèi)CU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和時(shí)鐘覆蓋。nRF905為微控制器提供一個(gè)SPI接口，速率由微控制器設(shè)定的接口速度決定。在ShockBurst工作模式下，nRF905以最大速率連接減小數(shù)字應(yīng)用部分的速度降低應(yīng)用平均電流消耗。在ShockBurst接收模式下，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)信號(hào)通知MCU一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包，表明各自己接收完成。在ShockBurst發(fā)射模式下，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)信號(hào)通知MCU數(shù)據(jù)傳輸完成?？傊档土薓CU的存儲(chǔ)器需求，即降低了MCU成本，縮短軟件開發(fā)時(shí)間。

nRF905的所有配置是通過(guò)SPI接口完成。SPI對(duì)外由SCK、MISO、MOSI、CSN 4個(gè)引腳組成，對(duì)應(yīng)5個(gè)內(nèi)置寄存器和1個(gè)SPI指令集。5個(gè)內(nèi)置寄存器分別是狀態(tài)寄存器、RF配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送有效數(shù)據(jù)寄存器、接收有效數(shù)據(jù)寄存器。某個(gè)SPI指令的設(shè)置決定了相應(yīng)的功能。只有當(dāng)nRF905處于待機(jī)或掉電狀態(tài)，SPI接口才工作。任何一條指令均從CSN的由高到低的轉(zhuǎn)換開始。寄存器操作時(shí)，每次只能讀／寫一個(gè)字節(jié)，或者先給出讀／寫的開始字節(jié)地址，然后再進(jìn)行讀／寫操作。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路是以單片機(jī)和nRF905為核心元件，由單片機(jī)的I／O端口分別控制nRF905的狀態(tài)接口、模式接口和SPI接口，如圖1所示。其中，單片機(jī)選用Microchip公司的PIC16F876，該單片機(jī)采用2層流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，內(nèi)置8 KB×14 Flash程序存儲(chǔ)器，368 Byte數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，256 Byte EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，13個(gè)中斷源，PORTA、PORTB、PORTC 3個(gè)I／O端口，3個(gè)定時(shí)器和1個(gè)看門狗定時(shí)器，2個(gè)CCP模塊，支持串行USART模塊等，適用于無(wú)線傳輸系統(tǒng)的控制，同時(shí)，系統(tǒng)具有良好的電源管理，設(shè)計(jì)了LC-π型濾波電路，可有效隔離數(shù)字電路與nRF905電路的電源。

另外，系統(tǒng)還加強(qiáng)了PCB的電磁兼容性設(shè)計(jì)。采用了雙面板設(shè)計(jì)，并保留底層作為接地面；電源濾波電容盡量靠近nRF905放置，采用電容并聯(lián)方式；nRF905所有的電源和旁路電容的接入點(diǎn)都要盡量靠近引腳；接地引腳直接通過(guò)孔與底面的地層連接；所有的開關(guān)數(shù)字信號(hào)和控制信號(hào)都遠(yuǎn)離晶體振蕩器和電源線。

3.2通信協(xié)議設(shè)計(jì)

nRF905內(nèi)置簡(jiǎn)單的通信協(xié)議，收發(fā)雙方采用CRC校驗(yàn)。一旦CRC校驗(yàn)出錯(cuò)，當(dāng)前數(shù)據(jù)就會(huì)丟失。因此，在內(nèi)置協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了完整通信協(xié)議。該協(xié)議由單片機(jī)軟件控制實(shí)現(xiàn)，采用"誤碼--中斷--重發(fā)"機(jī)制，如果通信中出現(xiàn)誤碼，單片機(jī)在正常的通信流程中產(chǎn)生中斷，重新發(fā)送和接收剛才CRC出錯(cuò)的數(shù)據(jù)，確保通信成功。根據(jù)收發(fā)兩端的不同任務(wù)，整個(gè)協(xié)議分為主控協(xié)議和從控協(xié)議。

無(wú)線通信協(xié)議是由單片機(jī)軟件控制實(shí)現(xiàn)的，相據(jù)通信雙方各自的特點(diǎn)分為M端協(xié)議和S端協(xié)議兩部分。其中，M端協(xié)議在無(wú)線通信協(xié)議中具有主控作用。

3.2.1 M端協(xié)議設(shè)計(jì)

M端協(xié)議主要是從保證可靠接收的角度考慮，程序流程圖如圖2所示。采用nRF905的CD／AMDR信號(hào)作為狀態(tài)查詢，進(jìn)行正常狀態(tài)下的快速判斷和接收。正常情況下，當(dāng)M系統(tǒng)發(fā)送控制指令后進(jìn)入接收模式，等待來(lái)自S系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，S系統(tǒng)在收到M系統(tǒng)的指令后，立即回傳數(shù)據(jù)，M系統(tǒng)收到后，本次通信結(jié)束。但是，如果S系統(tǒng)根本就沒有收到M系統(tǒng)發(fā)送的指令，或者S系統(tǒng)雖然收到M系統(tǒng)發(fā)的指令且也回傳了數(shù)據(jù)，但M系統(tǒng)卻沒有像預(yù)期的那樣收到該數(shù)據(jù)，則勢(shì)必造成了M系統(tǒng)和S系統(tǒng)都處于接收狀態(tài)，等待來(lái)自于對(duì)方的數(shù)據(jù)，單片機(jī)的程序則停留在不斷查詢CD／AM／DR信號(hào)狀態(tài)，出現(xiàn)死循環(huán)。

為了避免陷入死循環(huán)，在單片機(jī)程序中專門設(shè)計(jì)了中斷子程序，用于處理此類情況。中斷子程序采用的中斷源是TMR1定時(shí)器。一旦死循環(huán)運(yùn)行超時(shí)，就會(huì)觸發(fā)TMR1中斷，程序跳轉(zhuǎn)到中斷子程序。中斷子程序的任務(wù)是打破當(dāng)前的僵局，使雙方的程序運(yùn)行都能回到正常的軌道上。考慮到S系統(tǒng)此時(shí)處于接收模式，正在等待來(lái)自M系統(tǒng)的指令，所以，M系統(tǒng)在中斷子程序中重發(fā)上一條指令，然后返回主程序中，繼續(xù)查詢CD／AM／DR信號(hào)的狀態(tài)，等待來(lái)自S系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。而S系統(tǒng)收到該指令后判斷是否是S端協(xié)議內(nèi)容。通過(guò)M端重發(fā)指令的方式，使雙方再建立一次通信，跳出上一次的死循環(huán)。如果本次通信仍然不成功，那么單片機(jī)程序會(huì)遵循中斷一重發(fā)機(jī)制運(yùn)行，直到通信成功為止。當(dāng)然，如果通信雙方的距離已經(jīng)超出了信號(hào)的有效覆蓋范圍，通信是不會(huì)成功的。

3.2.2 S端協(xié)議設(shè)計(jì)

S端的協(xié)議處于從控位置，相對(duì)簡(jiǎn)單。設(shè)計(jì)中，仍然通過(guò)查詢nRF905的CD／AM／DR狀態(tài)接收指令，關(guān)鍵要解決指令的判讀問(wèn)題，即分清是正常流程內(nèi)指令還是重發(fā)指令。這一問(wèn)題在沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的工作參數(shù)設(shè)定階段不存在，因?yàn)槊恳粋€(gè)參數(shù)設(shè)定指令都不一樣，S端第一次收到某個(gè)指令肯定是正常流程內(nèi)指令，第二次收到該指令則肯定是重發(fā)的指令。但在讀數(shù)階段就不同了，因?yàn)榇鎯?chǔ)數(shù)據(jù)可能有幾兆字節(jié)，如此大的數(shù)據(jù)量需要拆成無(wú)數(shù)個(gè)包才能發(fā)送，而M端不可能每讀一次都使用不同的指令。為此，S端協(xié)議采用兩個(gè)讀數(shù)指令K1和K2，循環(huán)發(fā)送。K1之后收到K2或K2之后收到K1均為正常，S端協(xié)議從測(cè)試系統(tǒng)讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)并緩存到內(nèi)部寄存器，然后無(wú)線發(fā)送出去。若連續(xù)收到兩個(gè)相同的指令，說(shuō)明M端沒有收到剛才的數(shù)據(jù)，此時(shí)，S端從內(nèi)部寄存器中讀取剛才的數(shù)據(jù)，進(jìn)行無(wú)線重發(fā)，而不再?gòu)臏y(cè)試系統(tǒng)中讀取。S端的協(xié)議流程如圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)調(diào)試成功后，進(jìn)行了多次數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，無(wú)線信號(hào)在室內(nèi)傳輸環(huán)境下的損耗要遠(yuǎn)大于室外街道環(huán)境；在同等條件下，誤碼率主要與距離延伸有關(guān)；過(guò)往車輛對(duì)數(shù)據(jù)傳輸影響不大。該無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多個(gè)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)中。實(shí)現(xiàn)了控制指令和測(cè)試數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸