基于射頻的無線通信技術(shù)研究

　0  引 言

　　現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展， 數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容。目前有線通信技術(shù)始終是市場(chǎng)的主流， 這也是在空間區(qū)域不能自由布線的最大瓶頸， 而無線通信技術(shù)是該問題一個(gè)很好的通信方案。以成品的無線通信芯片作為通信媒介更能解決基礎(chǔ)硬件搭建調(diào)試及后期維護(hù)的難度。本文采用同類產(chǎn)品中性價(jià)比較高的芯片NRF24L01 ， 配合簡(jiǎn)單外圍電路和降低芯片， 實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制， 很好地解決了這一問題。

　　本文的控制部件選用AT 89C51 型單片機(jī)。由于這種芯片只有SPI 通信接口， 而目前常用的單片機(jī)都沒有這種接口， 因此需要對(duì)該芯片的通信時(shí)序進(jìn)行模擬，所以在控制器里編程時(shí)要嚴(yán)格按照芯片工作時(shí)序進(jìn)行。

　　1系統(tǒng)硬件組成

　　1. 1NRF24L01 芯片

　　NRF24L01 芯片是具有2. 4 GHz 內(nèi)嵌基帶通信協(xié)議引擎功能的收發(fā)芯片。通過SPI 接口對(duì)芯片內(nèi)部寄存器映射操作， 可以使其在空中的傳輸速度最大達(dá)到2 Mb/ s。

　　該芯片主要特點(diǎn)包括GFSK 調(diào)制技術(shù)： 126RF 頻道滿足多點(diǎn)通信需要： 1~ 2 Mb/ s 空中數(shù)據(jù)傳輸速率：內(nèi)置硬件CRC 檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信地址控制： 發(fā)送方電源可以通過編程輸出0 dBm， - 6 dBm， - 12 dBm，- 18 dBm： 芯片可以通過軟件設(shè)置地址， 確保通過地址認(rèn)證雙方才能通信： 接收方采用集成通道過濾器， 可編程的增益設(shè)置： 主機(jī)接口采用4 根SPI 硬件接口線， 最大8 Mb/ s傳輸速率， 3 個(gè)32 字節(jié)的T X 與RX 的FIFO寄存器， 5 V 容抗輸入。

　　該芯片引腳功能如圖1 所示， 引腳1 為CE 數(shù)字信號(hào)輸入， 引腳2 為CSN 數(shù)字信號(hào)輸入， 引腳3 為SCK數(shù)字信號(hào)輸入， 引腳4 為MOSI 數(shù)字信號(hào)輸入， 引腳5為MISO 數(shù)字信號(hào)輸出， 引腳6 為IRQ 數(shù)字信號(hào)輸， 引腳7， 15， 18 為VDD 電源， 引腳8， 14， 17 為VSS 電源，引腳9 為XC2 模擬輸出， 引腳10 為XC1 模擬輸入， 引腳11 為VDD_PA 電源輸出， 引腳12 為ANT 1 射頻，引腳13 為A NT2 射頻， 引腳16 為IREF 模擬輸入， 引腳19 為DVDD 電源， 引腳20 為VSS 電源。

　　在硬件搭建時(shí)特別要注意在SPI 接口與51 單片機(jī)的P0 引腳相接時(shí)需要接10 kΩ 的上拉電阻， 其余的接口不需要。VCC 引腳接入電壓范圍為1. 9~ 3. 6 V， 不能在這個(gè)區(qū)間之外， 超過3. 6 V 將會(huì)燒毀模塊， 推薦電壓3. 3 V。因?yàn)檫@樣可以直接和NRF24L01 模塊的I/ O口線連接。如果是其他系列的單片機(jī)， 其電源是5 V， 單片機(jī)I/ O 口輸出電流如果超過10 mA 時(shí)需要串聯(lián)電阻分壓， 否則容易燒毀模塊。例如AVR 系列單片機(jī)電源是5 V， 需串接2 kΩ的電阻。

圖1 NRF2401 芯片引腳功能圖。

　　1. 2NRF24L01 芯片構(gòu)成的通信模塊電路設(shè)計(jì)

　　NRF24L01 芯片通信模塊電路核心器件NRF24L01 配合網(wǎng)絡(luò)晶振、解耦電容、偏極電阻一起工作構(gòu)造穩(wěn)定射頻通信模塊。該芯片是貼片結(jié)構(gòu)， 模塊占用空間少， 如圖2 所示。

圖2由NRF24L01 芯片構(gòu)成的通信模塊電路圖。

　　1. 3電源電路

　　電源電路如圖3 所示， B1 是9 V 蓄電池或者鋰電池， 能夠反復(fù)充電。C1 ， C2 ， C3 ， C4 都是濾波電容， 起到一次與二次濾波作用。D1 ， D2 是穩(wěn)壓二極管， 使輸出端的電壓穩(wěn)定在理想的水平電壓。芯片7805 是三端穩(wěn)壓集成電路芯片， 具有正電壓輸出。其電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管等保護(hù)電路， 最終目的把9 V 電源轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定5 V 輸出， 為后續(xù)設(shè)備供電。

　　1. 4系統(tǒng)通信電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)通信電路如圖4 所示。本電路中應(yīng)用單片機(jī)AT89C51作為控制芯片， 對(duì)NRF24L01 主通信模塊的接口時(shí)序模擬和對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收進(jìn)行處理。

圖3電源電路圖。

圖4系統(tǒng)通信電路圖。

　　1. 5與PC 機(jī)通訊電路設(shè)計(jì)

　　如果單片機(jī)通信電路與單片機(jī)通信電路通信， 則兩個(gè)硬件電路和圖4 相同， 只是在軟件設(shè)計(jì)時(shí)需在每個(gè)通信端設(shè)定不同的通信地址， 以辨認(rèn)每個(gè)通信端口。若是單片機(jī)通信電路與PC 機(jī)或者具有COM 口的設(shè)備電路通信， 則需要一個(gè)轉(zhuǎn)接電路， 其硬件電路如圖5 所示。

圖5 SPI 接口與MAX232 通信硬件電路圖。

　　在圖5 所示的電路中， 單片機(jī)左側(cè)是一塊MAX232芯片， 其作用是將PC 機(jī)中的232 電平與單片機(jī)的T TL 電平匹配。最左側(cè)是9 芯母接頭， 在使用時(shí)可接在計(jì)算機(jī)COM 口上與計(jì)算機(jī)通信。單片機(jī)右側(cè)接一塊射頻通信模塊。由于此塊單片機(jī)同樣沒有SPI 接口， 所以需要用普通接口軟件模擬SPI 接口， 其編程要嚴(yán)格按SPI 端口的通信邏輯時(shí)序。

　　2單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)算法

　　通信芯片可以工作在四種模式下， 即: 配置模式、空閑模式、關(guān)機(jī)模式和收發(fā)模式。工作模式由PWR_U Pregister、PRIM_RX register 和CE 三個(gè)寄存器共同決定。在工作模式的收發(fā)模式中推薦使用EnhancedSho ckBurst 收發(fā)模式， 因?yàn)樵谶@種工作模式下， 系統(tǒng)的程序編制會(huì)更加簡(jiǎn)單， 并且穩(wěn)定性也會(huì)更高。兩種算法流程圖如圖6 所示。

圖6 發(fā)射流程與接收流程。

　　3結(jié)語

　　( 1) 提出基于射頻的無線通信技術(shù)方案， 并且按照該方案搭建硬件電路。

　　( 2) 設(shè)計(jì)單片機(jī)控制算法， 在PC 機(jī)中編好上位機(jī)軟件， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)能迅速執(zhí)行預(yù)定結(jié)果， 反應(yīng)時(shí)間小于1 ms。

　　( 3) 在執(zhí)行機(jī)構(gòu)遇到障礙時(shí)， 能返回準(zhǔn)確命令， 使上位機(jī)捕捉到相應(yīng)信息， 直接反映雙向通信效果好。

　　( 4) 系統(tǒng)穩(wěn)定可靠， 數(shù)據(jù)傳輸丟失率很小， 低于0. 01%。

　　( 5) 芯片互換性好， 可根據(jù)不同傳輸距離選擇不同芯片， 軟件不需改動(dòng)。