單片機(jī)和PTR2000實(shí)現(xiàn)短距離無線通信方案

1 引言

　　短距離無線傳輸具有抗干擾性能強(qiáng)、可靠性高、安全性好、受地理?xiàng)l件限制少、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。常見的短距離無線通信有基于802.11的無線局域網(wǎng)WLAN、藍(lán)牙 (blueTooth)、HomeRF及歐洲的HiperLAN(高性能無線局域網(wǎng))，但其硬件設(shè)計(jì)、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。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(jì)

　　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(jì)。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(jī)狀態(tài)，由TXEN、CS、PWM 3個(gè)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(jì)

　　該器件外圍的主要電路有以下兩個(gè)：

　　(1)與單片機(jī)的連接電路單片機(jī)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(jī)的控制引腳相連。

　　(2)與PC機(jī)的連接電路采用MAX202器件對PTR2000模塊和計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行RS-232和TTL電平轉(zhuǎn)換，將PTR2000與MAX202的輸入和輸出信號(hào)連接，轉(zhuǎn)換后的信號(hào)與計(jì)算機(jī)的串口連接。

　　3 硬件設(shè)計(jì)

　　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(jī)相結(jié)合進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是較合理的方案。PTR2000利用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而單片機(jī)和PC機(jī)均帶有串口，因此，可利用PTR2000作為單片機(jī)和PC機(jī)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(jī)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(jī)具有快速8051內(nèi)核、8 KB Flash E2PROM、256字節(jié)RAM。為實(shí)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(jì)的基礎(chǔ)上，利用C51高級(jí)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(jī)的時(shí)鐘電路和復(fù)位電路設(shè)計(jì)

　　單片機(jī)時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)中，選擇晶振頻率11.059 2 MHz，約定PC機(jī)和單片機(jī)的通信速率為9 600 b/s，并選擇相應(yīng)電容與單片機(jī)的時(shí)鐘引腳相連構(gòu)成時(shí)鐘回路。在復(fù)位電路設(shè)計(jì)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(jī)與PTR2000接口原理電路如圖2所示。

3.2 單片機(jī)與PTR2000接口電路的設(shè)計(jì)

　　在圖2中，AT89C52單片機(jī)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(jī)通過PTR2000傳送的數(shù)據(jù)。和單片機(jī)相連的 PTR2000模塊主要將單片機(jī)的待傳數(shù)據(jù)調(diào)制成射頻信號(hào)，再發(fā)送到PC機(jī)端的PTR2000模塊，同時(shí)接收PC機(jī)端的PTR2000模塊傳送的射頻信號(hào)，并調(diào)制成單片機(jī)可識(shí)別的TTL信號(hào)送至單片機(jī)。單片機(jī)的RXD和TXD引腳分別和PTR2000的DO和DI引腳連接，實(shí)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(gè)引腳分別和單片機(jī)I/O控制口的P2.0～P2.2相連，PTR2000工作時(shí)，由單片機(jī)中的運(yùn)行控制程序?qū)崟r(shí)控制其工作模式。

　　3.3 PC機(jī)與PTR2000接口電路的設(shè)計(jì)

　　該接口電路設(shè)計(jì)首先需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。PC機(jī)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(jìn)行兩者間的電平轉(zhuǎn)換，接口電路如圖3所示。PTR2000模塊進(jìn)行串行輸入、輸出，引腳DI、DO通過電平轉(zhuǎn)換器件和PC機(jī)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(jī)串口的RTS信號(hào)控制TXEN引腳，以決定PTR2000模塊何時(shí)為接收和發(fā)射狀態(tài)。PC機(jī)和串口的傳輸速率設(shè)定為9 600 b/s，和單片機(jī)保持一致。

　　4 軟件設(shè)計(jì)

　　無線通信系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)端和PC機(jī)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(jì)

　　單片機(jī)和PC機(jī)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(shí)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(shí)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(jī)不發(fā)送的絕大部分時(shí)間都處于接收狀態(tài)。當(dāng)單片機(jī)端發(fā)送時(shí)，PC機(jī)端應(yīng)為接收;當(dāng)PC機(jī)端發(fā)送時(shí)，單片機(jī)端應(yīng)為接收。

　　4.2 串行無線通信協(xié)議設(shè)計(jì)

　　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(jì)對保證通信的可靠性十分重要。協(xié)議的設(shè)計(jì)主要是幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，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(yàn)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(yàn)和的方法進(jìn)行幀的校驗(yàn)，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(jìn)行校驗(yàn)和計(jì)算，將校驗(yàn)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(jìn)行校驗(yàn)和計(jì)算，然后與收到的校驗(yàn)和字節(jié)比較，進(jìn)行誤碼判斷。

　　對于單片機(jī)，指令幀主要有3種：PC機(jī)發(fā)送給單片機(jī)的請求發(fā)送指令、錯(cuò)誤/超時(shí)重發(fā)指令、單片機(jī)發(fā)給PC機(jī)的發(fā)送完畢指令。在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(gè)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(jī)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(shí)別由PC機(jī)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(dòng)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(jī)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(jì)流程圖。

　　5 結(jié)束語

　　通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)運(yùn)行良好，單片機(jī)控制得相當(dāng)準(zhǔn)確。在應(yīng)用時(shí)將系統(tǒng)作為一個(gè)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(shí)用價(jià)值。