基于nRF905的LED屏無(wú)線通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對(duì)采用芯片nRF905的LED屏無(wú)線通信，分別給出了上位機(jī)和下位機(jī)的系統(tǒng)框圖，分析系統(tǒng)的功耗，比較無(wú)線模塊和串口通信的通信速率，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，設(shè)計(jì)串口通信協(xié)議。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)通信協(xié)議，針對(duì)串口數(shù)據(jù)的nRF905分包轉(zhuǎn)發(fā)，設(shè)計(jì)了無(wú)線芯片通信協(xié)議。例舉了狀態(tài)機(jī)的5種狀態(tài)，介紹狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換條件，巧妙地編程設(shè)計(jì)了通信數(shù)據(jù)的定時(shí)器檢查，論述了基于狀態(tài)機(jī)的嵌入式單片機(jī)軟件編程。
關(guān)鍵詞：nRF905；單片機(jī)ATmega16A；可行性分析；狀態(tài)機(jī)

    現(xiàn)行市場(chǎng)上的LED屏，多采用異步串口、TCP／IP接口等有線和GPRS無(wú)線進(jìn)行通信。對(duì)于裝修計(jì)劃中的LED屏，即使提前布線或預(yù)留線纜空間，在線纜損壞或調(diào)試LED屏還是有諸多不利條件。技術(shù)成熟的GPRS無(wú)線模塊，價(jià)格昂貴，不適用于大眾場(chǎng)合。針對(duì)普遍使用的串口通信控制的LED屏，本文介紹了采用nRF905芯片為核心的硬件電路，論述了無(wú)線通信系統(tǒng)中的功耗估計(jì)、速率適配、串口與無(wú)線的通信協(xié)議設(shè)計(jì)和嵌入式單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制串口的無(wú)線通信。

1 硬件設(shè)計(jì)
1．1 硬件總體框圖
    硬件框圖如圖1和圖2所示。圖1為上位機(jī)框圖，電路板上的單片機(jī)收到計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線模塊轉(zhuǎn)發(fā)。圖2為下位機(jī)框圖，單片機(jī)將無(wú)線模塊收到的數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)給LED屏的電路控制板。LED屏回復(fù)數(shù)據(jù)的傳輸方向正好相反。

    采用ProtelDXP繪制電路原理圖和雙面PCB板，使用JTAG mk II在AVR Studi04下編寫(xiě)基于單片機(jī)的嵌入式軟件，采用GCC編譯器進(jìn)行編譯連接。
1．2 電路設(shè)計(jì)
    (1)單片機(jī)ATmega16A
    采用芯片LM1117將DC 9 V穩(wěn)壓到DC 3．3 V，對(duì)單片機(jī)ATmega16A、芯片nRF905、芯片MAX3232進(jìn)行供電。串口通信采用芯片MAX3232進(jìn)行邏輯電平的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmega16A單片機(jī)。該單片機(jī)具有16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH、512 B的E2PROM和1 KB的SRAM，供嵌入式軟件使用；在線調(diào)試的JTAG端口，豐富了系統(tǒng)的調(diào)試手段；獨(dú)立的定時(shí)器和可編程的串口，加強(qiáng)了系統(tǒng)的功能。單片機(jī)ATmega16A上的SPI接口，可保證無(wú)線芯片nRF905的無(wú)縫連接。
    (2)無(wú)線芯片nRF905
    NORDIC公司的無(wú)線芯片nRF905采用高效的GFSK調(diào)制，使用開(kāi)放的ISM頻段，工作速率可達(dá)50 Kb／s，收發(fā)模式切換時(shí)間短，功耗低，內(nèi)置硬件CRC校驗(yàn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信地址控制，這些優(yōu)點(diǎn)特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合。
1．3 可行性分析
1．3．1 通信速率
    nRF905無(wú)線收發(fā)芯片的最高工作速率50 Kb／s。PC機(jī)端的控制軟件可以設(shè)置串口的工作速率，典型波特率設(shè)置為9 600 b／s或115 200 b／s。串口的波特率的每個(gè)字節(jié)加上起始位、停止位和奇偶校驗(yàn)位，經(jīng)計(jì)算，串口工作速率小于無(wú)線芯片的工作速率，因此，可以采用無(wú)線芯片nRF905轉(zhuǎn)發(fā)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。
1．3．2 功耗估計(jì)
    (1)單片機(jī)ATmega16A的耗散功率條件：溫度，25℃；單片機(jī)工作晶振：1 MHz；工作電壓，3．3 V。
    激活模式：功率P=0．6×3．3=1．95 mW
    空閑模式：功率P=0．2×3．3=0．66 mW。
    (2)芯片MAX232的耗散功率工作電壓：V=3．3 V。
    最大工作電流：I=1 mA。
    典型工作電流：I=0．3 mA。
    則最大功耗：P=VI=3．3 mW。
    典型功耗：P=W=0．99 mW。
    (3)無(wú)線模塊的功率計(jì)算
    發(fā)送模式的功耗：P=30×3．3=99 mW。
    接收模式的功耗：P=12．2×3．3≈41 mW。
    (4)穩(wěn)壓芯片LM 1117的耗散功率
    輸入電壓：Vin=9 V。
    輸出電壓：Vout=3．3 V。
    系統(tǒng)工作電流I=(0．6+1+30)=31．6 mA。
    則功耗P=(Vin-Vout)×I=180．12 mW。
    (5)總功率的計(jì)算
    系統(tǒng)最大功耗：
    P=180．12+1．95+3．3+99=284．37 mW
    經(jīng)功耗估計(jì)，系統(tǒng)功耗較小，因此可以使用DC 9V電池供電。設(shè)計(jì)系統(tǒng)的供電方式為電池和外部DC 9V電源，通過(guò)跳線切換。
1．4 電路板布局
    實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的系統(tǒng)電路板布局如圖3所示。

2 軟件設(shè)計(jì)
2．1 通信協(xié)議
    (1)串口通信協(xié)議。設(shè)計(jì)串口通信協(xié)議：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，“空格”校驗(yàn)位，1位停止位。
    (2)數(shù)據(jù)通信協(xié)議。設(shè)計(jì)串口發(fā)送數(shù)據(jù)的通信協(xié)議：串口發(fā)送數(shù)據(jù)的第1個(gè)和第2個(gè)字節(jié)是0xF6、0x5A，作為包頭，第3個(gè)字節(jié)和第4個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的一半，數(shù)據(jù)最后的2個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)字節(jié)。LED屏控制卡回復(fù)數(shù)據(jù)為4個(gè)字節(jié)，第1個(gè)字節(jié)和第2個(gè)字節(jié)為為發(fā)送數(shù)據(jù)的前2個(gè)字節(jié)，后2個(gè)字節(jié)為發(fā)送數(shù)據(jù)的最后2個(gè)字。
    (3)無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)協(xié)議。無(wú)線通信的數(shù)據(jù)采取分包發(fā)送的機(jī)制。無(wú)線通信協(xié)議設(shè)計(jì)如下：第1個(gè)字節(jié)為包頭0xF6，第2個(gè)字節(jié)為數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度，該字節(jié)的首位置1，此包數(shù)據(jù)為最后一包，該字節(jié)的首位置0，此包數(shù)據(jù)非最后一包。由于無(wú)線芯片一包最大發(fā)送或接收字節(jié)數(shù)32 B，所以最大數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為30 B。大于30 B的數(shù)據(jù)，將分包發(fā)送。
2．2 芯片nRF905工作原理
    (1)芯片nRF905的管腳及管腳功能如表1所示。

    (2)芯片nRF905的工作模式
    芯片nRF905共有4種工作模式：活動(dòng)模式有ShockBurst RX(接收模式)和ShockBurst TX(發(fā)送模式)；節(jié)電模式有掉電模式和SPI編程模式或STANDBY(空閑模式)和SPI編程模式。芯片nRF905的工作模式由TX_EN，TRX_CE，PWR_UP的設(shè)置來(lái)設(shè)定，如表2所示。
2．3 基于狀態(tài)機(jī)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)
2．3．1 系統(tǒng)初始化
    系統(tǒng)初始化主要包括：端口、串口、SPI總線、無(wú)線芯片、定時(shí)器和鏈表。狀態(tài)機(jī)的初始化包括：初始狀態(tài)、各個(gè)狀態(tài)的初始條件等。根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的流程，設(shè)計(jì)狀態(tài)機(jī)的5種狀態(tài)：待機(jī)狀態(tài)ST_STAND_BY；串口接收狀態(tài)(PC端)ST_UART_RECV；無(wú)線接收狀態(tài)(LED屏端)ST_WAVE_RECV；串口等待狀態(tài)(LED屏端)ST_UART_WAIT；無(wú)線等待狀態(tài)(PC端)ST_WAVE_WAIT。
2．3．2 狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)觸發(fā)與轉(zhuǎn)換
    上位機(jī)在中斷中接收PC機(jī)發(fā)送的控制數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在循環(huán)鏈表中，通過(guò)無(wú)線芯片分包發(fā)送；上位機(jī)查詢無(wú)線芯片接收回復(fù)數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)給PC機(jī)上的控制軟件；上位機(jī)狀態(tài)觸發(fā)與轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示。下位機(jī)查詢接收無(wú)線模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)給LED屏控制卡；LED屏控制卡的回復(fù)數(shù)據(jù)，下位機(jī)在中斷中接收，通過(guò)無(wú)線發(fā)送；下位機(jī)狀態(tài)觸發(fā)與轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖5所示。圖4和圖5共同完成1次數(shù)據(jù)應(yīng)答。

2．3．3 定時(shí)器的數(shù)據(jù)收發(fā)檢測(cè)
    (1)串口接收數(shù)據(jù)完的檢測(cè)。串口的數(shù)據(jù)接收是在中斷中完成的，因此在中斷中對(duì)定時(shí)器置數(shù)，中斷外面減數(shù)。波特率為9 600b／s時(shí)，中斷間隔小于1 ms。設(shè)置定時(shí)器的時(shí)長(zhǎng)1．5 ms，如果超過(guò)此時(shí)長(zhǎng)，則意味著串口數(shù)據(jù)接收完成。
    (2)無(wú)線發(fā)送接收數(shù)據(jù)的檢測(cè)。嵌入式程序中多處用到無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)的定時(shí)器檢測(cè)，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合，選擇定時(shí)器的時(shí)長(zhǎng)。

3 結(jié)語(yǔ)
    本文對(duì)采用芯片nRF905進(jìn)行LED屏的無(wú)線通信進(jìn)行了論證，從通信速率和功耗兩個(gè)方面分析了技術(shù)可行性，設(shè)計(jì)了串口通信協(xié)議、數(shù)據(jù)包協(xié)議和無(wú)線通信協(xié)議、論述了基于狀態(tài)機(jī)的嵌入式軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能。