NRF401單片機(jī)無線遙控設(shè)計(jì)資料

ID:291292 · 發(fā)表于 2018-3-13 15:19

無線遙控設(shè)計(jì)

總體概述：

本系統(tǒng)有六大部分組成分PS/2電腦鍵盤控制部分、雙單片機(jī)控制部分、無線數(shù)字收發(fā)部分、攝相頭采集部分、高頻放大發(fā)射部分、電視觀察接收信號(hào)圖像部分。

題目分析及方案論證：

本題中要求發(fā)射大于10米，且多通道。所以可采用高頻無線數(shù)字收發(fā)模塊。如NRF 系列數(shù)字收發(fā)模塊。可選用單片機(jī)給數(shù)字模塊進(jìn)行控制和配置寄存器，及用SPI給數(shù)字模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。

1 、NRF系列數(shù)字收發(fā)模塊選擇方案論證

NRF401可以達(dá)到題目要求

所設(shè)計(jì)的無線數(shù)傳模塊由單片射頻收發(fā)芯片nRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片構(gòu)成，工作在433.92／434.33MHz頻段；

nRF401是北歐集成電路公司（NORDIC）的產(chǎn)品，是一個(gè)為433MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的真正單片UHF無線收發(fā)芯片，滿足歐洲電信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（ETSI）EN300 200-1 V1.2.1。它采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，最高工作速率可以達(dá)到20K，發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率是+10dBm。nRF401的天線接口設(shè)計(jì)為差分天線，以便于使用低成本的PCB天線。它要求非常少的外圍元件（約10個(gè)），無需聲表濾波器、變?nèi)莨艿劝嘿F的元件，只需要便宜且易于獲得的4MHz晶體，收發(fā)天線合一。無需進(jìn)行初始化和配置，不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，有兩個(gè)工作頻寬（433.92/434.33MHz）,工作電壓范圍可以從2.7-5V，還具有待機(jī)模式，可以更省電和高效。

nRF401無線收發(fā)芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾部分。發(fā)射電路包含有：射頻功率放大器、鎖相環(huán)（PLL），壓控振蕩器（VCO），頻率合成器等電路�；鶞�(zhǔn)振蕩器采用外接晶體振蕩器，產(chǎn)生電路所需的基準(zhǔn)頻率。

其主要特性如下:
●工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段
●FSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合；
●采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好；
●靈敏度高，達(dá)到-105dBm（nRF401）；
●功耗小，接收狀態(tài)250 A，待機(jī)狀態(tài)僅為8 A（nRF401）；
●最大發(fā)射功率達(dá) +10dBm ；
●低工作電壓（2.7V），可滿足低功耗設(shè)備的要求；
●具有多個(gè)頻道，可方便地切換工作頻率；
●工作速率最高可達(dá)20Kbit/s（RF401）；
●僅外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件，基本無需調(diào)試；
●因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無需申請?jiān)S可證，開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米 (與具體使用環(huán)境及元件參數(shù)有關(guān))。
TX與RX之間的切換

當(dāng)從RX切換到TX模式時(shí),數(shù)據(jù)輸入腳(DIN)必須保持為高至少1ms才能收發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)從TX切換到RX時(shí)，數(shù)據(jù)輸出腳（DOUT）要至少3ms以后有數(shù)據(jù)輸出。

Standby與RX之間的切換

從待機(jī)模式到接收模式，當(dāng)PWR_UP輸入設(shè)成1時(shí)，經(jīng)過tSR時(shí)間后,DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效。對(duì) nRF401來說，tST最長的時(shí)間是3ms。
從待機(jī)模式到發(fā)射模式，所需穩(wěn)定的最大時(shí)間是tST。

Power Up與TX間的切換

從加電到發(fā)射模式過程中，為了避免開機(jī)時(shí)產(chǎn)生干擾和輻射，在上電過程中TXEN的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合成器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)由上電進(jìn)入發(fā)射模式時(shí)，TXEN必須保持1ms以后才可以往DIN發(fā)送數(shù)據(jù)。

從上電到接收模式過程中，芯片將不會(huì)接收數(shù)據(jù)，DOUT也不會(huì)有數(shù)據(jù)輸出，直到電壓穩(wěn)定達(dá)到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振蕩器，這個(gè)時(shí)間可以縮短到3ms。

在實(shí)際應(yīng)用中，微控制器采用Atmel公司的AT89C52，分別用單片機(jī)的P1口各管腳控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個(gè)腳即可。

接口芯片采用美信公司的RS232轉(zhuǎn)換芯片MAX3316，完成單片機(jī)和計(jì)算機(jī)RS232接口的電平轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、請求、清除功能。在nRF401芯片使用時(shí)，設(shè)定好工作頻率，進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，通過單片機(jī)根據(jù)需要進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制，發(fā)送／接收數(shù)據(jù)或進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)程序時(shí)，要注意各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)延。nRF401的通訊速率最高為20kbit/s，發(fā)送數(shù)據(jù)之前需將電路置于發(fā)射模式；接收模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為1ms；可以發(fā)送任意長度的數(shù)據(jù)；發(fā)射模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為3ms。在待機(jī)模式時(shí)，電路進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，電路不接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。待機(jī)模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為4ms；待機(jī)模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為5.0ms。這里給出系統(tǒng)和程序的工作流程圖

1.2 單片射頻收發(fā)器nRF905也可達(dá)到要求

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9～3.6V，32引腳QFN封裝(5由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表濾波器， ShockBurstTM工作模式，自動(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報(bào)警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測、家庭自動(dòng)化和玩具等諸多領(lǐng)域。NRF905比NRF401先進(jìn)多了。能充分滿足題目要求。

2. 芯片結(jié)構(gòu)、引腳介紹及工作模式

　　 nRF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊，曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。nRF905的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2引腳介紹表1：nRF905引腳

nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個(gè)引腳決定，詳見表2。

2.1ShockBurstTM模式

與射頻數(shù)據(jù)包有關(guān)的高速信號(hào)處理都在nRF905片內(nèi)進(jìn)行，數(shù)據(jù)速率由微控制器配置的SPI接口決定，數(shù)據(jù)在微控制器中低速處理，但在nRF905中高速發(fā)送，因此中間有很長時(shí)間的空閑，這很有利于節(jié)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頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。在ShockBurstTM接收模式下，當(dāng)一個(gè)包含正確地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包被接收到后，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好(DR)兩引腳通知微控制器。在ShockBurstTM發(fā)送模式，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生字頭和CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。由以上分析可知，nRF905的ShockBurstTM收發(fā)模式有利于節(jié)約存儲(chǔ)器和微控制器資源，同時(shí)也減小了編寫程序的時(shí)間。下面具體詳細(xì)分析nRF905的發(fā)送流程和接收流程。

2.2發(fā)送流程

典型的nRF905發(fā)送流程分以下幾步：

接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時(shí)確定；

B. 微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激發(fā)nRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式；

C. nRF905的ShockBurstTM發(fā)送：

l 數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼)；

2 發(fā)送數(shù)據(jù)包；

3 當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高；

D. AUTO_RETRAN被置高，nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低；

E. 當(dāng)TRX_CE被置低，nRF905發(fā)送過程完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。

ShockBurstTM工作模式保證，一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始，無論TRX_EN和TX_EN引腳是高或低，發(fā)送過程都會(huì)被處理完。只有在前一個(gè)數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，nRF905才能接受下一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

2.3接收流程

A. 當(dāng)TRX_CE為高、TX_EN為低時(shí)，nRF905進(jìn)入ShockBurstTM接收模式；

B. 650us后，nRF905不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)；

C. 當(dāng)nRF905檢測到同一頻段的載波時(shí)，載波檢測引腳被置高；

D. 當(dāng)接收到一個(gè)相匹配的地址，地址匹配引腳被置高；

E. 當(dāng)一個(gè)正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，nRF905自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳置高

F. 微控制器把TRX_CE置低，nRF905進(jìn)入空閑模式；

G. 微控制器通過SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)；

H. 當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳和地址匹配引腳置低；

I. nRF905此時(shí)可以進(jìn)入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式。

當(dāng)正在接收一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，TRX_CE或TX_EN引腳的狀態(tài)發(fā)生改變，nRF905立即把其工作模式改變，數(shù)據(jù)包則丟失。當(dāng)微處理器接到地址匹配引腳的信號(hào)之后，其就知道nRF905正在接收數(shù)據(jù)包，其可以決定是讓nRF905繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包還是進(jìn)入另一個(gè)工作模式。

2.4節(jié)能模式

nRF905的節(jié)能模式包括關(guān)機(jī)模式和節(jié)能模式。

在關(guān)機(jī)模式，nRF905的工作電流最小，一般為2.5uA。進(jìn)入關(guān)機(jī)模式后，nRF905保持配置字中的內(nèi)容，但不會(huì)接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)。

空閑模式有利于減小工作電流，其從空閑模式到發(fā)送模式或接收模式的啟動(dòng)時(shí)間也比較短。在空閑模式下，nRF905內(nèi)部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)。nRF905在空閑模式下的工作電流跟外部晶體振蕩器的頻率有關(guān)。

2.5 器件配置

所有配置字都是通過SPI接口送給nRF905。SIP接口的工作方式可通過SPI指令進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)nRF905處于空閑模式或關(guān)機(jī)模式時(shí)，SPI接口可以保持在工作狀態(tài)。

2.6SPI接口配置

SPI接口由狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器5個(gè)寄存器組成。狀態(tài)寄存器包含數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳狀態(tài)信息和地址匹配引腳狀態(tài)信息；射頻配置寄存器包含收發(fā)器配置信息，如頻率和輸出功能等；發(fā)送地址寄存器包含接收機(jī)的地址和數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器包含待發(fā)送的數(shù)據(jù)包的信息，如字節(jié)數(shù)等；接收數(shù)據(jù)寄存器包含要接收的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)等信息。

2.7射頻配置

　　射頻配置寄存器和內(nèi)容如表3所示：

　表3：射頻配置寄存器

射頻寄存器的各位的長度是固定的。然而，在ShockBurstTM收發(fā)過程中，TX_PAYLOAD、RX_PAYLOAD、TX_ADDRESS和RX_ADDRESS 4個(gè)寄存器使用字節(jié)數(shù)由配置字決定。nRF905進(jìn)入關(guān)機(jī)模式或空閑模式時(shí)，寄存器中的內(nèi)容保持不變。

2.8 應(yīng)用電路

nRF905在使用中，根據(jù)不同需要，其電路圖不盡相同，圖2所示為典型的應(yīng)用原理圖，該電路天線部分使用的是50Ω單端天線。在nRF905的電路板設(shè)計(jì)中，也可以使用環(huán)形天線，把天線布在PCB板上，這可減小系體積。

3. NRF2401芯片是2.4G高頻無線數(shù)字收發(fā)模塊

nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其DuoCeiverTM技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控開鎖、遙控玩具等。ｎＲＦ2401無線收發(fā)一體芯片和藍(lán)牙一樣，都工作在２．４ＧＨｚ自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。ｎＲＦ2401支持多點(diǎn)間通信，最高傳輸速率超過1MBit／Ｓ，而且比藍(lán)牙具有更高的傳輸速度。它采用ＳｏＣ方法設(shè)計(jì)，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。與藍(lán)牙不同的是，nRF 2401沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對(duì)用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。更重要的是，nRF 2401比藍(lán)牙產(chǎn)品更便宜。所以ｎＲnRF 2401是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片。

3.1.芯片結(jié)構(gòu)、引腳說明

nRF2401內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很少的外圍元件，因此使用起來非常方便。QFN24引腳封裝，外形尺寸只有5×5mm。nRF2401的功能模塊如圖1所示。

3.2芯片結(jié)構(gòu)

作模式工

nRF2401有工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三個(gè)引腳決定，詳見表2。

表2：nRF2401工作模式

3.3 收發(fā)模式

nRF2401的收發(fā)模式有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，收發(fā)模式由器件配置字決定，具體配置將在器件配置部分詳細(xì)介紹。

3.4.ShockBurstTM收發(fā)模式

ShockBurstTM收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從微控制器送入，但高速(1Mbps)發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行，這種做法有三大好處：盡量節(jié)能；低的系統(tǒng)費(fèi)用(低速微處理器也能進(jìn)行高速射頻發(fā)射)；數(shù)據(jù)在空中停留時(shí)間短，抗干擾性高。nRF2401的ShockBurstTM技術(shù)同時(shí)也減小了整個(gè)系統(tǒng)的平均工作電流。

在ShockBurstTM收發(fā)模式下，nRF2401自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)把字頭和CRC校驗(yàn)碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)加上字頭和CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。

3.4.1 ShockBurstTM發(fā)射流程
接口引腳為CE，CLK1，DATA
A. 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，其把CE置高，使nRF2401工作；
B. 把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時(shí)序送入nRF2401；
C. 微控制器把CE置低，激發(fā)nRF2401進(jìn)行ShockBurstTM發(fā)射；
D. nRF2401的ShockBurstTM發(fā)射
² 給射頻前端供電；
² 射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、CRC校驗(yàn)碼)；
² 高速發(fā)射數(shù)據(jù)包；
² 發(fā)射完成，nRF2401進(jìn)入空閑狀態(tài)。
3.4.2 ShockBurstTM接收流程
接口引腳CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1)
A. 配置本機(jī)地址和要接收的數(shù)據(jù)包大小；
B. 進(jìn)入接收狀態(tài)，把CE置高；
C. 200us后，nRF2401進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來；
D. 當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包(正確的地址和CRC校驗(yàn)碼)，nRF2401自動(dòng)把字頭、地址和CRC校驗(yàn)位移去；
E. nRF2401通過把DR1(這個(gè)引腳一般引起微控制器中斷)置高通知微控制器；
F. 微控制器把數(shù)據(jù)從nRF2401移出；
G. 所有數(shù)據(jù)移完，nRF2401把DR1置低，此時(shí)，如果CE為高，則等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包，如果CE為低，開始其它工作流程。

3.5.1直接收發(fā)模式
在直接收發(fā)模式下，nRF2401如傳統(tǒng)的射頻收發(fā)器一樣工作。

3.5.2直接發(fā)送模式
接口引腳為CE、DATA
A. 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，把CE置高；
B. nRF2401射頻前端被激活；
C. 所有的射頻協(xié)議必須在微控制器程序中進(jìn)行處理(包括字頭、地址和CRC校驗(yàn)碼)。
3.5.3直接接收模式
接口引腳為CE、CLK1和DATA
A. 一旦nRF2401被配置為直接接收模式，DATA引腳將根據(jù)天線接收到的信號(hào)開始高低變化(由于噪聲的存在)；
B. CLK1引腳也開始工作；
C. 一旦接收到有效的字頭，CLK1引腳和DATA引腳將協(xié)調(diào)工作，把射頻數(shù)據(jù)包以其被發(fā)射時(shí)的數(shù)據(jù)從DATA引腳送給微控制器；
D. 這頭必須是8位；
E. DR引腳沒用上，所有的地址和CRC校驗(yàn)必須在微控制器內(nèi)部進(jìn)行。

3.5.4配置模式

在配置模式，15字節(jié)的配置字被送到nRF2401，這通過CS、CLK1和DATA三個(gè)引腳完成，具體的配置方法請參考本文的器件配置部分。

3.5.5空閑模式

nRF2401的空閑模式是為了減小平均工作電流而設(shè)計(jì)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)，縮短芯片的起動(dòng)時(shí)間。在空閑模式下，部分片內(nèi)晶振仍在工作，此時(shí)的工作電流跟外部晶振的頻率有關(guān)，如外部晶振為4MHz時(shí)工作電流為12uA，外部晶振為16MHz時(shí)工作電流為32uA。在空閑模式下，配置字的內(nèi)容保持在nRF2401片內(nèi)。

3.5.6關(guān)機(jī)模式

在關(guān)機(jī)模式下，為了得到最小的工作電流，一般此時(shí)的工作電流小于1uA。關(guān)機(jī)模式下，配置字的內(nèi)容也會(huì)被保持在nRF2401片內(nèi)，這是該模式與斷電狀態(tài)最大的區(qū)別。

3.6. 器件配置

nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和DATA三個(gè)引腳完成，把其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式需要15字節(jié)的配置字，而如把其配置為直接收發(fā)模式只需要2字節(jié)的配置字。由上文對(duì)nRF2401工作模式的介紹，我們可以知道，nRF2401一般工作于ShockBurstTM收發(fā)模式，這樣，系統(tǒng)的程序編制會(huì)更加簡單，并且穩(wěn)定性也會(huì)更高，因此，下文著重介紹把nRF2401配置為ShockBurstTM收發(fā)模式的器件配置方法。

ShockBurstTM的配置字使nRF2401能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，在nRF2401工作的過程中，只需改變其最低一個(gè)字節(jié)中的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間切換。ShockBurstTM的配置字可以分為以下四個(gè)部分：
數(shù)據(jù)寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分接收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)碼；
地址寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù)；
地址：接收數(shù)據(jù)的地址，有通道1的地址和通道2的地址；
CRC：使nRF2401能夠生成CRC校驗(yàn)碼和解碼。

當(dāng)使用nRF2401片內(nèi)的CRC技術(shù)時(shí)，要確保在配置字中CRC校驗(yàn)被使能，并且發(fā)送和接收使用相同的協(xié)議。nRF2401配置字的各個(gè)位的描述如表3所示。

在配置模式下，注意保證PWR_UP引腳為高電平，CE引腳為低電平。配置字從最高位開始，依次送入nRF2401。在CS引腳的下降沿，新送入的配置字開始工作。

3.7. 應(yīng)用電路

圖2為nRF2401的應(yīng)用電路，由圖可知，其只需要14個(gè)外圍元件。nRF2401應(yīng)用電路一般工作于3V，它可用多種低功耗微控制器進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者可使用單鞭天線或環(huán)形天線，上圖為50歐姆單鞭天線的應(yīng)用電路。在使用不同的天線時(shí)，為了得到盡可能大的收發(fā)距離，電感電容的參數(shù)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。

3.6. PCB設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)對(duì)nRF2401的整體性能影響很大，所以PCB設(shè)計(jì)在nRF2401收發(fā)系統(tǒng)的開發(fā)過程中主要的工作之一，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到各種電磁干擾，注意調(diào)整電阻、電容和電感的位置，特別要注意電容的位置。

nRF2401的PCB一般都是雙層板，底層一般不放置元件，為地層，頂層的空余地方一般都敷上銅，這些敷銅通過過孔與底層的地相連。直流電源及電源濾波電容盡量靠近VDD引腳。nRF2401的供電電源應(yīng)通過電容隔開，這樣有利于給nRF2401提供穩(wěn)定的電源。在PCB中，盡量多打一些通孔，使頂層和底層的地能夠充分接觸。

4.三種方案比較論證

nRF401工作速率最高達(dá)20Kbit/s應(yīng)用時(shí)偏低。接口芯片采用美信公司的RS232轉(zhuǎn)換芯片MAX3316，完成單片機(jī)和計(jì)算機(jī)RS232接口的電平轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、請求、清除功能。在nRF401芯片使用時(shí)，設(shè)定好工作頻率，進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，通過單片機(jī)根據(jù)需要進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制，發(fā)送／接收數(shù)據(jù)或進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在設(shè)計(jì)程序時(shí)，要注意各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)延。通信協(xié)議的設(shè)計(jì)nRF401是程序繁雜難以在短時(shí)間內(nèi)調(diào)試好。平時(shí)大多數(shù)情況下應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，由于無線部分硬件上是不具備自動(dòng)喚醒功能的，為了達(dá)到節(jié)能的目的，必須通過軟件方式采用合理的通信協(xié)議以保證節(jié)能同時(shí)不丟失數(shù)據(jù)。接收模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為1ms；可以發(fā)送任意長度的數(shù)據(jù)；發(fā)射模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為3ms。在待機(jī)模式時(shí)，電路進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，電路不接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。待機(jī)模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為4ms；待機(jī)模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為5.0ms。延時(shí)問題也需要程序彌補(bǔ)不好調(diào)試。

nRF905工作速率最高達(dá)100Kbit/s,頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650us。與射頻數(shù)據(jù)包有關(guān)的高速信號(hào)處理都在nRF905片內(nèi)進(jìn)行，數(shù)據(jù)速率由微控制器配置的SPI接口決定，數(shù)據(jù)在微控制器中低速處理，但在nRF905中高速發(fā)送，因此中間有很長時(shí)間的空閑，這很有利于節(jié)能。與nRF401相比與相當(dāng)大的改進(jìn)。當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過SPI接口，按時(shí)序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時(shí)確定；微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激發(fā)nRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式；射頻寄存器自動(dòng)開啟；數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼)；發(fā)送數(shù)據(jù)包；當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高；當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高當(dāng)TRX_CE被置低，nRF905發(fā)送過程完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。ShockBurstTM工作模式保證，一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始，無論TRX_EN和TX_EN引腳是高或低，發(fā)送過程都會(huì)被處理完。只有在前一個(gè)數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，nRF905才能接受下一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)包。

nRF2401芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其DuoCeiverTM技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很少的外圍元件，因此使用起來非常方便。該器件有125個(gè)頻點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信，同時(shí)可采用改頻和跳頻來避免干擾。ｎＲＦ2401最大傳輸速率可達(dá)1Mbit/s，其最大發(fā)射功率為-5ｄＢｍ，在比較理想環(huán)境中，其室內(nèi)傳輸距離可達(dá)50～90米，室外傳輸距離可達(dá)100-200米。ｎＲＦ2401的靈敏度為－90ｄＢｍ，工作電壓為1.9Ｖ～3.3，工作溫度范圍為－40～＋80℃。在ShockBurstTM收發(fā)模式下，nRF2401自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)把字頭和CRC校驗(yàn)碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)加上字頭和CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。

1 ShockBurstTM發(fā)射流程
接口引腳為CE，CLK1，DATA
A. 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，其把CE置高，使nRF2401工作；
B. 把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時(shí)序送入nRF2401；
C. 微控制器把CE置低，激發(fā)nRF2401進(jìn)行ShockBurstTM發(fā)射；
D. nRF2401的ShockBurstTM發(fā)射
1 給射頻前端供電；
2 射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、CRC校驗(yàn)碼)；
3 高速發(fā)射數(shù)據(jù)包；
4 發(fā)射完成，nRF2401進(jìn)入空閑狀態(tài)。

2 ShockBurstTM接收流程
接口引腳CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1)
A. 配置本機(jī)地址和要接收的數(shù)據(jù)包大��；
B. 進(jìn)入接收狀態(tài)，把CE置高；
C. 200us后，nRF2401進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來；
D. 當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包(正確的地址和CRC校驗(yàn)碼)，nRF2401自動(dòng)把字頭、地址和CRC校驗(yàn)位移去；
E. nRF2401通過把DR1(這個(gè)引腳一般引起微控制器中斷)置高通知微控制器；
F. 微控制器把數(shù)據(jù)從nRF2401移出；有空閑模式降低功耗，發(fā)送數(shù)據(jù)打包，
G. 所有數(shù)據(jù)移完，nRF2401把DR1置低，此時(shí)，如果CE為高，則等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包，如果CE為低，開始其它工作流程。

3.直接發(fā)送模式
接口引腳為CE、DATA
A. 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，把CE置高；
B. nRF2401射頻前端被激活；
C. 所有的射頻協(xié)議必須在微控制器程序中進(jìn)行處理(包括字頭、地址和CRC校驗(yàn)碼)。
4.直接接收模式
接口引腳為CE、CLK1和DATA
A. 一旦nRF2401被配置為直接接收模式，DATA引腳將根據(jù)天線接收到的信號(hào)開始高低變化(由于噪聲的存在)；
B. CLK1引腳也開始工作；
C. 一旦接收到有效的字頭，CLK1引腳和DATA引腳將協(xié)調(diào)工作，把射頻數(shù)據(jù)包以其被發(fā)射時(shí)的數(shù)據(jù)從DATA引腳送給微控制器；
D. 這頭必須是8位；
E. DR引腳沒用上，所有的地址和CRC校驗(yàn)必須在微控制器內(nèi)部進(jìn)行。
nRF2401通過ShockBurstTM收發(fā)模式進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送，收發(fā)可靠度高。

總結(jié)：nRF401電路焊接多、程序繁雜，調(diào)試不好實(shí)現(xiàn)，發(fā)送頻率低，頻道轉(zhuǎn)換時(shí)間長，容易丟數(shù)據(jù)包，出錯(cuò)率高。所以不選用nRF401。nRF905 發(fā)送頻率可以，由微控制口SPI寫發(fā)送數(shù)據(jù)，ShockBurstTM發(fā)送模式；射頻寄存器自動(dòng)開啟；數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼)；發(fā)送數(shù)據(jù)包；當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高；當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高當(dāng)TRX_CE被置低，nRF905發(fā)送過程完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。可是nRF905的微控制器配置的SPI及寄存器配置繁雜給系統(tǒng)調(diào)試帶來麻煩。射頻寄存器的各位的長度是固定所有信息都有SPI來實(shí)現(xiàn)。所以不選用nRF905。nRF2401發(fā)射功率大，本身功耗低，靈敏度高，并且有nRF905的所有優(yōu)越性的無線數(shù)字收發(fā)性能，且使我們的系統(tǒng)調(diào)試更加快速。也是與整個(gè)系統(tǒng)匹配的最佳選擇。它的直接發(fā)送模式和直接接收模式是優(yōu)于其它模塊的特色。所以最終選擇nRF2401。

結(jié)果也證明了nRF2401確實(shí)是實(shí)現(xiàn)無線數(shù)字收發(fā)的可靠選擇。

四、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

1、硬件控制系統(tǒng)PS/2電腦鍵盤

因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)需要控制的鍵許多。十六個(gè)通道，兩個(gè)電機(jī)控制，發(fā)送數(shù)據(jù)等控制鍵很多，所以不用單鍵及小鍵盤，通過鍵盤編碼傳給89S52單片機(jī)，然后89S52與89C2051經(jīng)過Max232實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與單片機(jī)串行通信。如圖示：

這樣設(shè)計(jì)增加控制鍵又省去了不必要的設(shè)計(jì)麻煩。

2、微控制系統(tǒng)單片機(jī)之間實(shí)現(xiàn)串行通信

選擇89S52是因?yàn)樗赏ㄟ^Max232與電腦通信可觀測單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)，可以對(duì)設(shè)計(jì)串行通信發(fā)送的數(shù)據(jù)分析和改進(jìn)程序。就是因?yàn)?9S52這些功能才使整個(gè)系統(tǒng)可以應(yīng)用PS/2電腦鍵盤。

利用兩個(gè)單片機(jī)是因?yàn)閮蓚€(gè)CPU可以提高工作效率。另外NRF2401的工作電壓小于單片機(jī)的工作電壓而89C2051可低電壓工作。所以用89C2051實(shí)現(xiàn)微控制對(duì)NRF2401控制及傳送數(shù)據(jù)。同時(shí)也降低了功耗，串行通信的程序中有校驗(yàn)程序，從而避免了錯(cuò)碼，使NRF2401發(fā)送的數(shù)據(jù)完全正確。只有無錯(cuò)碼才能達(dá)到無線遙控的操作正確，這樣才能提高整個(gè)系統(tǒng)的性能。

3、無線數(shù)字發(fā)射系統(tǒng)

利用89C2051對(duì)NRF2401傳送數(shù)據(jù)和對(duì)NRF2401寄存器配置，以及對(duì)NRF2401的控制。從而實(shí)現(xiàn)無線數(shù)字發(fā)射

4、無線數(shù)字接受系統(tǒng)

與無線數(shù)字發(fā)射系統(tǒng)相似用NRF2401接受數(shù)據(jù)包傳給89C2051，再由89C2051與89S52 串行通信傳遞數(shù)據(jù)，經(jīng)89S52解碼后選擇相應(yīng)通道。

如圖所示：

5通道顯示系統(tǒng)

顯示用大型號(hào)發(fā)光二極管顯示。

6攝相頭采集系統(tǒng)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

此功能是無線遙控拓展，是實(shí)現(xiàn)更好的無線遙控必然趨勢。由此項(xiàng)高級(jí)功能才能完備整個(gè)系統(tǒng)的安全、無誤的進(jìn)行工作。

7監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

利用小電視機(jī)對(duì)攝相頭采集、發(fā)射的圖象進(jìn)行接受。如圖示：

8時(shí)鐘顯示系統(tǒng)

無論工作在什么地方都需要有時(shí)間顯示，在本系統(tǒng)中電子鐘是本系統(tǒng)的輔助單元。可以使整個(gè)大的系統(tǒng)更有合理的應(yīng)用價(jià)值。為操作者提供舒適環(huán)境。本系統(tǒng)用單片機(jī)控制，七位共陽極數(shù)碼管顯示有74LS04，74LS07進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，且可調(diào)時(shí)等功能。

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總結(jié)；整個(gè)的系統(tǒng)可用下列圖示說明：

發(fā)射部分：（見附件）

接受部分

五、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

本系統(tǒng)主要是三大部分：單片機(jī)與單片機(jī)串行通信程序，對(duì)PS/2鍵盤編碼及譯碼程序，單片機(jī)對(duì)nRF2401的控制及傳遞數(shù)據(jù)程序。

1單片機(jī)與單片機(jī)串行通信程序

2對(duì)PS/2鍵盤編碼及譯碼程序

3單片機(jī)對(duì)nRF2401的控制及傳遞數(shù)據(jù)程序。