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无线遥控设计-单片射频收发芯片nRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片构成,工作在433.92/434.33MHz频段
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电子工程系第三届“电创杯”竞赛论文
无
线
遥
控
组号:39
参赛队员:李国化 夏九 杨振雷
无线遥控设计
一、 总体概述:
本系统有六大部分组成分 PS/2 电脑键盘控制部分、双单片机控制部分、无线数字收发部分、摄相头
采集部分、高频放大发射部分、电视观察接收信号图像部分。
二、 题目分析及方案论证:
本题中要求发射大于 10 米,且多通道。所以可采用高频无线数字收发模块。如 NRF 系列数字收发模
块。可选用单片机给数字模块进行控制和配置寄存器,及用 SPI 给数字模块发送数据。
1 、NRF 系列数字收发模块选择方案论证
1.1 NRF401 可以达到题目要求
所设计的无线数传模块由单片射频收发芯片 nRF401、AT89C52 微控制器和 MAX3316 接口芯片构成,
工作在 433.92/434.33MHz 频段;
nRF401 是北欧集成电路公司(NORDIC)的产品,是一个为 433MHz ISM 频段设计的真正单片
UHF 无线收发芯片,满足欧洲电信工业标准(ETSI)EN300 200-1 V1.2.1。它采用 FSK 调制解调技术,
最高工作速率可以达到 20K,发射功率可以调整,最大发射功率是+10dBm。nRF401 的天线接口设计
为差分天线,以便于使用低成本的 PCB 天线。它要求非常少的外围元件(约 10 个),无需声表滤波器、
变容管等昂贵的元件,只需要便宜且易于获得的 4MHz 晶体,收发天线合一。无需进行初始化和配置,
不需要对数据进行曼彻斯特编码,有两个工作频宽(433.92/434.33MHz),工作电压范围可以从 2.7-
5V,还具有待机模式,可以更省电和高效。
nRF401 无线收发芯片的结构框图如图 1 所示:内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控
制逻辑电路及串行接口几部分。发射电路包含有:射频功率放大器、锁相环( PLL),压控振荡器
(VCO),频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器,产生电路所需的基准频率。
其主要特性如下:
●工作频率为国际通用的数传频段
●FSK 调制,抗干扰能力强,特别适合工业控制场合;
●采用 PLL 频率合成技术,频率稳定性极好;
●灵敏度高,达到-105dBm(nRF401);
●功耗小,接收状态 250 A,待机状态仅为 8 A(nRF401);
●最大发射功率达 +10dBm ;
●低工作电压(2.7V),可满足低功耗设备的要求;
●具有多个频道,可方便地切换工作频率 ;
●工作速率最高可达 20Kbit/s(RF401);
●仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件,基本无需调试;
●因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,使用无需申请许可证,开阔地的使用距离最远可达
1000 米 (与具体使用环境及元件参数有关)。
TX 与 RX 之间的切换
当从 RX 切换到 TX 模式时,数据输入脚(DIN)必须保持为高至少 1ms 才能收发数据。当从 TX 切换到
RX 时,数据输出脚(DOUT)要至少 3ms 以后有数据输出。
Standby 与 RX 之间的切换
从待机模式到接收模式,当 PWR_UP 输入设成 1 时,经过 tSR 时间后,DOUT 脚输出数据才有效。对
nRF401 来说,tST 最长的时间是 3ms。
从待机模式到发射模式,所需稳定的最大时间是 tST。
Power Up 与 TX 间的切换
从加电到发射模式过程中,为了避免开机时产生干扰和辐射,在上电过程中 TXEN 的输入脚必须保持
为低,以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时,TXEN 必须保持 1ms 以后才可
以往 DIN 发送数据。
从上电到接收模式过程中,芯片将不会接收数据,DOUT 也不会有数据输出,直到电压稳定达到 2.7V
以上,并且至少保持 5ms。如果采用外部振荡器,这个时间可以缩短到 3ms。
在实际应用中,微控制器采用 Atmel 公司的 AT89C52,分别用单片机的 P1 口各管脚控制 nRF401 的
DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS 这五个脚即可。
接口芯片采用美信公司的 RS232 转换芯片 MAX3316,完成单片机和计算机 RS232 接口的电平转换及
数据发送、接收、请求、清除功能。在 nRF401 芯片使用时,设定好工作频率,进入正常工作状态后,
通过单片机根据需要进行收发转换控制,发送/接收数据或进行状态转换。在设计程序时,要注意各状态
转换的时延。nRF401 的通讯速率最高为 20kbit/s,发送数据之前需将电路置于发射模式;接收模式转
换为发射模式的转换时间至少为 1ms;可以发送任意长度的数据;发射模式转换为接收模式的转换时间
至少为 3ms。在待机模式时,电路进入待机状态,电路不接收和发射数据。待机模式转换为发射模式的
转换时间至少为 4ms;待机模式转换为接收模式的转换时间至少为 5.0ms。这里给出系统和程序的工作
流程图
1.2 单片射频收发器 nRF905 也可达到要求
nRF905 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的单片射频收发器,工作电压为 1.9~3.6V,32 引脚 QFN 封装(5 由
频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,不需外加声表滤波器, ShockBurstTM
工作模式,自动处理字头和 CRC(循环冗余码校验),使用 SPI 接口与微控制器通信,配置非常方便。此外,
其功耗非常低,以-10dBm 的输出功率发射时电流只有 11mA,工作于接收模式时的电流为 12.5mA,内建空
闲模式与关机模式,易于实现节能。nRF905 适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线
监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。NRF905 比 NRF401 先进多了。能充分满足题目要求。
2. 芯片结构、引脚介绍及工作模式
nRF905 片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块,曼彻斯特编
码/解码由片内硬件完成,无需用户对数据进行曼彻斯特编码,因此使用非常方便。nRF905 的详细结构如图
1 所示。
2.2 引脚介绍 表 1:nRF905 引脚
nRF905 有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是 ShockBurstTM 接收模式和 ShockBurstTM 发
送模式,两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nRF905 的工作模式由 TRX_CE、TX_EN 和 PWR_UP
三个引脚决定,详见表 2。
2.1ShockBurstTM 模式
与射频数据包有关的高速信号处理都在 nRF905 片内进行,数据速率由微控制器配置的 SPI 接口决定,
数据在微控制器中低速处理,但在 nRF905 中高速发送,因此中间有很长时间的空闲,这很有利于节能。
由于 nRF905 工作于 ShockBurstTM 模式,因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。
在 ShockBurstTM 接收模式下,当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后,地址匹配(AM)和数据准
备好(DR)两引脚通知微控制器。在 ShockBurstTM 发送模式,nRF905 自动产生字头和 CRC 校验码,当发
送过程完成后,数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知,nRF905 的 ShockBurstTM
收发模式有利于节约存储器和微控制器资源,同时也减小了编写程序的时间。下面具体详细分析 nRF905
的发送流程和接收流程。
2.2 发送流程
典型的 nRF905 发送流程分以下几步:
接口的速率在通信协议和器件配置时确定;
B. 微控制器置高 TRX_CE 和 TX_EN,激发 nRF905 的 ShockBurstTM 发送模式;
C. nRF905 的 ShockBurstTM 发送:
l 数据打包(加字头和 CRC 校验码);
2 发送数据包;
3 当数据发送完成,数据准备好引脚被置高;
D. AUTO_RETRAN 被置高,nRF905 不断重发,直到 TRX_CE 被置低;
E. 当 TRX_CE 被置低,nRF905 发送过程完成,自动进入空闲模式。
ShockBurstTM 工作模式保证,一旦发送数据的过程开始,无论 TRX_EN 和 TX_EN 引脚是高或低,发送过
程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕,nRF905 才能接受下一个发送数据包。
2.3 接收流程
A. 当 TRX_CE 为高、TX_EN 为低时,nRF905 进入 ShockBurstTM 接收模式;
B. 650us 后,nRF905 不断监测,等待接收数据;
C. 当 nRF905 检测到同一频段的载波时,载波检测引脚被置高;
D. 当接收到一个相匹配的地址,地址匹配引脚被置高;
E. 当一个正确的数据包接收完毕,nRF905 自动移去字头、地址和 CRC 校验位,然后把数据准备好引脚置高
F. 微控制器把 TRX_CE 置低,nRF905 进入空闲模式;
G. 微控制器通过 SPI 口,以一定的速率把数据移到微控制器内;
H. 当所有的数据接收完毕,nRF905 把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低;
I. nRF905 此时可以进入 ShockBurstTM 接收模式、ShockBurstTM 发送模式或关机模式。
当正在接收一个数据包时,TRX_CE 或 TX_EN 引脚的状态发生改变,nRF905 立即把其工作模式改变,数据
包则丢失。当微处理器接到地址匹配引脚的信号之后,其就知道 nRF905 正在接收数据包,其可以决定是让
nRF905 继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。
2.4 节能模式
nRF905 的节能模式包括关机模式和节能模式。
在关机模式,nRF905 的工作电流最小,一般为 2.5uA。进入关机模式后,nRF905 保持配置字中的内容,但
不会接收或发送任何数据。
空闲模式有利于减小工作电流,其从空闲模式到发送模式或接收模式的启动时间也比较短。在空闲模式下 ,
nRF905 内部的部分晶体振荡器处于工作状态。nRF905 在空闲模式下的工作电流跟外部晶体振荡器的频率有
关。
2.5 器件配置
所有配置字都是通过 SPI 接口送给 nRF905。SIP 接口的工作方式可通过 SPI 指令进行设置。当 nRF905 处于
空闲模式或关机模式时,SPI 接口可以保持在工作状态。
2.6SPI 接口配置
SPI 接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器 5 个寄存器
组成。状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息;射频配置寄存器包含收发器配置
信息,如频率和输出功能等;发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数;发送数据寄存器包含待发
送的数据包的信息,如字节数等;接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。
2.7 射频配置
射频配置寄存器和内容如表 3 所示:
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