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nRF905無(wú)線(xiàn)通信系統設計論文
物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是當前信息領(lǐng)域中研究的熱點(diǎn)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )作為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域中一個(gè)重要的技術(shù)組成，可以實(shí)現特殊環(huán)境連續不斷地進(jìn)行數據采集、事件檢測、事件標識、位置監測和節點(diǎn)控制，無(wú)線(xiàn)通信模塊的這些特性使得無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的應用前景非常廣闊，能夠廣泛應用于環(huán)境監測和預報、智能家居、建筑物狀態(tài)監控、城市交通、大型車(chē)間和倉庫管理，以及機場(chǎng)、大型工業(yè)園區的安全監測等領(lǐng)域。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的深人研究和廣泛應用，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )逐漸深入到人類(lèi)生活的各個(gè)領(lǐng)域而受到國內外研究人員的重視。本文設計了一種基于A(yíng)tmega16單片機和nRF905射頻芯片的無(wú)線(xiàn)通信系統。該系統適用于低功耗、短距離、小數據量的點(diǎn)對點(diǎn)無(wú)線(xiàn)數據傳輸和交換應用。
1系統總體設計
本文設計無(wú)線(xiàn)通訊模塊是由數據發(fā)送模塊和數據接收模塊兩個(gè)完全相同的節點(diǎn)模塊構成，數據接收和發(fā)送模塊都選用Atmega16單片機作為主控制器，由單片機控制射頻芯片nRF905實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據的收發(fā)。數據發(fā)送節點(diǎn)的Atmega16單片機采集上位機或數據采集模塊的數字信號，經(jīng)處理器處理后傳送給節點(diǎn)內nRF905無(wú)線(xiàn)通信模塊，由無(wú)線(xiàn)通信模塊經(jīng)調制和功率放大后將數據發(fā)送出去。數據接收節點(diǎn)通過(guò)節點(diǎn)內的nRF905無(wú)線(xiàn)通信模塊接收來(lái)自數據發(fā)送節點(diǎn)的數據，解調后傳給節點(diǎn)的主控制器———Atmega16單片機，單片機經(jīng)過(guò)判斷和處理，發(fā)送相應的處理命令，完成一次數據通信任務(wù)。
2系統硬件設計
無(wú)線(xiàn)通信節點(diǎn)模塊的主控制器選AVR系列的Atmega16單片機，其外圍電路有：RS232電平轉換電路、USB接口電路、1602液晶顯示模塊、nRF905無(wú)線(xiàn)模塊以及蜂鳴器提示音電路等。
2.1單片機最小系統設計
本系統選用價(jià)格便宜的Atmega16單片機作為主控制器。該系列單片機是基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，以低功耗特性被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執行時(shí)間，ATmega16的數據吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。該款單片機內部集成了A/D轉換模塊，無(wú)需專(zhuān)用的模/數轉換器；同時(shí)與傳統的8051單片機系列相比增加兩個(gè)可編程的串行USART接口。該單片機具有40個(gè)引腳，16kBFlash片內程序存儲器，1kB的隨機存取數據存儲器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，一個(gè)6向量2級中斷結構，3個(gè)16位可編程定時(shí)計數器，2個(gè)全雙工串行通信口，片內晶振及時(shí)鐘電路等功能，完全滿(mǎn)足本系統需求。
2.2無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)器
本文設計的無(wú)線(xiàn)通信模塊采用挪威Nordic公司的nRF905單片射頻收發(fā)器，該模塊采用先進(jìn)的VLSIShockBurst技術(shù)，通過(guò)將與RF協(xié)議有關(guān)的高速信號處理放到芯片內，通過(guò)一個(gè)SPI接口實(shí)現與應用微控制器的通信，并編程配置接口的數據通信速率。nRF905具有ShockBurstRX和ShockBurstTX等多種工作模式，分別是接收模式、發(fā)送模式、關(guān)機模式和空閑模式；nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP三個(gè)引腳決定，可有效降低應用的平均電流消耗和對MCU的存儲器需求，具有單片、低電壓、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。系統硬件電路是以Atmega16單片機和nRF905模塊為核心元件，由單片機的I/O端口分別控制nRF905模塊的狀態(tài)接口、模式接口和SPI接口。nRF905的發(fā)送流程：
�。�1）若單片機需要發(fā)送數據時(shí)，通過(guò)nRF905模塊的SPI接口，按時(shí)序把數據發(fā)送目標地址和數據傳送給nRF905，可通過(guò)器件初始化配置時(shí)設定SPI接口的速率；
�。�2）單片機設置TRX_CE和TX_EN為1，配置nRF905的工作模式為ShockBurstTM發(fā)送模式；
�。�3）nRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式的工作過(guò)程：配置nRF905的射頻寄存器自動(dòng)開(kāi)啟；對發(fā)送數據進(jìn)行數據打包，在數據包中增加字頭和CRC校驗碼；進(jìn)行數據包的發(fā)送；若數據發(fā)送完畢，DR引腳置1；TRX_CE引腳置1，準備接收數據；
�。�4）AUTO_RETRAN被置高，nRF905重復（3）步驟的數據發(fā)送，直到數字輸入引腳TRX_CE被置0；
�。�5）當數字輸入引腳TRX_CE被置0，nRF905發(fā)送過(guò)程完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。另外，nRF905的ShockBurstTM工作模式規定，進(jìn)行數據發(fā)送過(guò)程后，將延遲處理TX_EN和TRX_CE的狀態(tài)改變情況，數據發(fā)送過(guò)程完畢后才進(jìn)行處理。只有當前一個(gè)數據包被發(fā)送完畢，nRF905才能接受下一個(gè)發(fā)送數據包的任務(wù)。
2.3RS232接口電路設計
無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)通過(guò)串行通信接口與PC機通信。本文選用RS232串行通信接口，采用的是LVTTL電平標準，即2V～3.3V表示邏輯1，0V～0.4V表示邏輯0。由于兩者的邏輯狀態(tài)不統一，所以需對電平信號進(jìn)行轉換才能實(shí)現二者之間的通信，選用MAX3232芯片實(shí)現電平信號的轉換。
結束語(yǔ)
本文設計基于A(yíng)tmega16單片機的無(wú)線(xiàn)通信系統，充分利用射頻無(wú)線(xiàn)芯片nRF905的小尺寸、低功耗、低電壓及高速數據傳輸性能，通過(guò)設計合理的通信協(xié)議,提高了系統通信的可靠性。此外，系統可通過(guò)在發(fā)送/接收模塊中增加功率放大模塊提高無(wú)線(xiàn)通信距離，并保證系統工作的安全性和可靠性，便于投入實(shí)際應用，可應用到短距離無(wú)線(xiàn)傳呼、工業(yè)數據采集、生物信號采集和無(wú)線(xiàn)遙控等其它一些無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域，以實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據的雙向傳輸，具有較好的市場(chǎng)應用價(jià)值。
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