基于nRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

1 引言

在許多測控現(xiàn)場，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸都是通過有線電纜實現(xiàn)的。隨著射頻、集成電路技術(shù)的發(fā)展，無線通信功能的實現(xiàn)更容易，數(shù)據(jù)傳輸速率更快，抗干擾能力更強，因此，許多應(yīng)用采用了無線傳輸技術(shù)。無線數(shù)據(jù)傳輸與有線數(shù)據(jù)傳輸相比，有諸多優(yōu)點：一是成本低，省去大量布線；二是建網(wǎng)快捷，只需在每個終端連接無線數(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；四是擴展性好，只需將設(shè)備與無線數(shù)據(jù)傳輸模塊相連接。因此，無線傳輸是一種有效數(shù)據(jù)傳輸方式。

2 nRF905簡介

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ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時間小于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。無需外加聲表面濾波器，ShockBurst工作模式，自動處理字頭和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)射時電流僅11 mA，工作在接收模式時電流為12.5 mA，具有空閑模式與關(guān)機模式，易于實現(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)傳輸而無需昂貴的高速MCU進行數(shù)據(jù)處理和時鐘覆蓋。nRF905為微控制器提供一個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)信號通知MCU一個有效的地址和數(shù)據(jù)包，表明各自己接收完成。在ShockBurst發(fā)射模式下，nRF905自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)信號通知MCU數(shù)據(jù)傳輸完成。總之，降低了MCU的存儲器需求，即降低了MCU成本，縮短軟件開發(fā)時間。

nRF905的所有配置是通過SPI接口完成。SPI對外由SCK、MISO、MOSI、CSN 4個引腳組成，對應(yīng)5個內(nèi)置寄存器和1個SPI指令集。5個內(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，每次只能讀／寫一個字節(jié)，或者先給出讀／寫的開始字節(jié)地址，然后再進行讀／寫操作。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路是以單片機和nRF905為核心元件，由單片機的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，單片機選用Microchip公司的PIC16F876，該單片機采用2層流水線結(jié)構(gòu)設(shè)計，內(nèi)置8 KB×14 Flash程序存儲器，368 Byte數(shù)據(jù)存儲器，256 Byte EEPROM數(shù)據(jù)存儲器，13個中斷源，PORTA、PORTB、PORTC 3個I／O端口，3個定時器和1個看門狗定時器，2個CCP模塊，支持串行USART模塊等，適用于無線傳輸系統(tǒng)的控制，同時，系統(tǒng)具有良好的電源管理，設(shè)計了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)還加強了PCB的電磁兼容性設(shè)計。采用了雙面板設(shè)計，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都要盡量靠近引腳；接地引腳直接通過孔與底面的地層連接；所有的開關(guān)數(shù)字信號和控制信號都遠(yuǎn)離晶體振蕩器和電源線。

3.2通信協(xié)議設(shè)計

nRF905內(nèi)置簡單的通信協(xié)議，收發(fā)雙方采用CRC校驗。一旦CRC校驗出錯，當(dāng)前數(shù)據(jù)就會丟失。因此，在內(nèi)置協(xié)議的基礎(chǔ)上，設(shè)計了完整通信協(xié)議。該協(xié)議由單片機軟件控制實現(xiàn)，采用"誤碼--中斷--重發(fā)"機制，如果通信中出現(xiàn)誤碼，單片機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)，整個協(xié)議分為主控協(xié)議和從控協(xié)議。

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

3.2.1 M端協(xié)議設(shè)計

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信號作為狀態(tài)查詢，進行正常狀態(tài)下的快速判斷和接收。正常情況下，當(dāng)M系統(tǒng)發(fā)送控制指令后進入接收模式，等待來自S系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。與此同時，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)，則勢必造成了M系統(tǒng)和S系統(tǒng)都處于接收狀態(tài)，等待來自于對方的數(shù)據(jù)，單片機的程序則停留在不斷查詢CD／AM／DR信號狀態(tài)，出現(xiàn)死循環(huán)。

為了避免陷入死循環(huán)，在單片機程序中專門設(shè)計了中斷子程序，用于處理此類情況。中斷子程序采用的中斷源是TMR1定時器。一旦死循環(huán)運行超時，就會觸發(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，使雙方的程序運行都能回到正常的軌道上?？紤]到S系統(tǒng)此時處于接收模式，正在等待來自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信號的狀態(tài)，等待來自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，那么單片機程序會遵循中斷一重發(fā)機制運行，直到通信成功為止。當(dāng)然，如果通信雙方的距離已經(jīng)超出了信號的有效覆蓋范圍，通信是不會成功的。

3.2.2 S端協(xié)議設(shè)計

S端的協(xié)議處于從控位置，相對簡單。設(shè)計中，仍然通過查詢nRF905的CD／AM／DR狀態(tài)接收指令，關(guān)鍵要解決指令的判讀問題，即分清是正常流程內(nèi)指令還是重發(fā)指令。這一問題在沖擊波存儲測試系統(tǒng)的工作參數(shù)設(shè)定階段不存在，因為每一個參數(shù)設(shè)定指令都不一樣，S端第一次收到某個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，因為存儲數(shù)據(jù)可能有幾兆字節(jié)，如此大的數(shù)據(jù)量需要拆成無數(shù)個包才能發(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)議從測試系統(tǒng)讀取存儲數(shù)據(jù)并緩存到內(nèi)部寄存器，然后無線發(fā)送出去。若連續(xù)收到兩個相同的指令，說明M端沒有收到剛才的數(shù)據(jù)，此時，S端從內(nèi)部寄存器中讀取剛才的數(shù)據(jù)，進行無線重發(fā)，而不再從測試系統(tǒng)中讀取。S端的協(xié)議流程如圖3所示。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)調(diào)試成功后，進行了多次數(shù)據(jù)傳輸實驗，從實驗數(shù)據(jù)可得，無線信號在室內(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)；過往車輛對數(shù)據(jù)傳輸影響不大。該無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多個存儲測試系統(tǒng)中。實現(xiàn)了控制指令和測試數(shù)據(jù)的無線傳輸