无线接收设计

通信电子线路课程设计
课程设计 题 班 学 目： 基于 NRF905 的无线接收系统设计 ： ： ： ： ：
电气工程学院
学院名称 级 号
本 09 通信工程 02 班 20094400229 余衡 黄智伟教授 王彦
学生姓名 指导老师
教研室主任 ：
二零一二年五月
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通信电子线路课程设计
基于 NRF905 无线数据接收
摘要
现代工业对于无线数据的采集显得越发重要,本系统主要以单片机最小系统为控制核 心，结合无线模块完成的无线收发系统的设计。本系统是通过无线模块 NRF905 接收发射器 发出的信号， 并将其传入单片机， 在单片机内部经过转换并将接收的数据在数码管上显示出 来。nRF905 是 Nordic VLSI 公司推出的单片射频收发器，工作电压为 1.9 V~3.6 V，工作于 433MHz、868MHz、915MHz 3 个 ISM 频段，频道转换时间小于 650μ s，最大数据速率为 100 kbit/s。nRF905 由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和 GFSK 调制器组成。 nRF905 适用于遥感、遥测、无线抄表、工业数据采集以及家庭自动化等领域。
关键词：单片机
温度 NRF905 无线模块 接收
数码管
Abstract
Modern industry for wireless data collection is becoming more and more important, this system mainly on the single chip computer control system for minimum core, combining wireless module complete wireless transceiver system design. The system is through the wireless module NRF905 receiving emitter signal, and will be introduced into the single chip microcomputer, the microcontroller internal by transfer and will receive data in digital tube displayed. NRF905 Nordic VLSI is out with single piece of rf transceiver, working voltage of 1.9 V-3.6 V, work in 433 MHz, 868 MHz, 915 MHz 3 ISM band, channel the conversion time less than 650 μ s, maximum data rate for 100 kbit/s. NRF905 by frequency synthesizer, receiving modem, power amplifiers, crystal oscillator and GFSK modulator composition. NRF905 used in remote sensing, remote sensing, wireless meter reading, industrial data acquisition and home automation 。
Key words: Single
receiving
chip microcomputer
temperature
NRF905 wireless module
Digital tube
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目录
1 系统方案设计及论证 ........................................................ 5 1.1 设计任务与要求 ....................................................... 5
1.2 设计分析 ............................................................... 5 1.3 各模块方案论证........................................................ 5 1.3.1 控制器模块 ....................................................... 5 1.3.2 显示模块 ......................................................... 6 1.3.3 无线接收模块 ..................................................... 6 2 系统原理分析和单元单元设计 ................................................ 6 2.1 NRF905 芯片 ............................................................ 6 2.1.1 NRF905 芯片结构 .................................................... 6 2.1.3 NRF905 芯片工作方式 ................................................ 8 2.2 接口电路管脚及说明..................................................... 9 2.2.1 接口电路管脚........................................................ 9 2.2.2 管脚相关参数 ...................................................... 10 2.3.4 模块引脚和电气参数说明 ........................................... 11 2.3.2 ShockBurst 模式 .................................................. 13 2.3.4 ShockBurst RX 接收流程 ........................................... 13 2.3.5 节能模式 ......................................................... 14 2.4 配置 NRF905 模块 ..................................................... 14 2.4.1 SPI 接口寄存器配置 ................................................ 14 2.4.2 SPI 指令设置 ..................................................... 15 2.4.3 SPI 时序 ......................................................... 17 2.4.4 NRF905 配置寄存器 ................................................. 17 3 STC89C52 的介绍 .......................................................... 20 4 系统整体结构电路图 ..................................................... 22 4.1 系统原理图 ........................................................... 22 4.2 系统 PCB 图 .......................................................... 23 5 软件设计分析 .......................................................... 23 7 心得体会 ................................................................ 25
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参考文献: ................................................................. 26 附录： .................................................................... 27 附录 1：元器件清单 ........................................................ 27 附录 2：程序清单 .......................................................... 28 附录 3：任务书 ............................................................ 34
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1 系统方案设计及论证
1.1 设计任务与要求
设计一个由单片机控制的无线接收电路： 输入信号为传感器、 电压、 电流、 开关等形式， 输出控制信号为模拟电压或者数字信号，控制对象可以是电机（直流电机，步进电机） 、开 关、显示器等，信号传输采用无线模块，微控制器采用单片机。
1.2 设计分析
要成功实现设计任务与要求，系统必须具备以下功能模块：单片机控制器、无线接收模 块、显示模块。本系统由无线接收模块接收通过发射系统传过来的数据，通过单片机采集分 析数据，然后送到数码管上显示。 整体系统框图如下：
无线接收模块
单片机控制 检测信号 显示数据 数码管显示
NRF905
图 1.1
整体系统框图
1.3
各模块方案论证
1.3.1 控制器模块
方案一：采用 FPGA 作为主控制器。FPGA 内部具有独立的 I/O 接口和逻辑单元，使用灵 活，适用性强，且相对单片机来说，还有速度快，外围电路较少，集成度高的特点，因此特 别适用于复杂逻辑电路设计。但是 FPGA 的成本偏高，算术运算能力不强，而且由于本设计 对输出处理的速度要求不高，所以 FPGA 高速处理的优势得不到充分体现。 方案二：采用 ARM7TDMI-S 微控制器 LPC2148。32 位的 LPC2148 工作电压为 3.3V，典型 工作电流为 53mA，工作频率可高达 60MHz，具有 45 个可承受 5V 电压的 I/O 口，内置宽范围 的串行通信接口，采用 3 级流水线工作模式，具有掉电和空闲两种低功耗工作模式。 方案三：采用 STC89C52RC 单片机作为主控制器，其有 40 个引脚，32 个独立的 I/O 口， 二个外部中断，三个定时/计数器，虽然相对 FPGA 来说在功能和速度上有点差异， 但单片
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机算术运算功能强，软件编程灵活、可用软件较简单的实现各种算法和逻辑控制，并且由于 其成本低、体积小、技术成熟和功耗小等优点，开发过程中可以利用的资源和工具丰富。 针对本设计对处理器要求不高，根据经济节约的原则，系统拟采用方案三，使用 STC89C52RC 单片机作为本系统的主控制器。
1.3.2 显示模块
方案一：使用数码管进行显示，按键用于切换显示。可采用周立功公司生产的 ZLG7290 芯片 来配合控制器对数码管和按键进行控制，该芯片具有 I2C 串行接口，只需占用控制器 3 个 管脚，便可方便地控制数码管显示和检测按键。 方案二：用 12864 液晶，12864 液晶能同时显示 64 个字符或 32 个汉字，工作电压为 5V,显 示内容多，操作方便，显示清晰,不需额外电路。 方案选择：由于不需要显示汉字，只需要显示数字，综合考虑选择方案一
1.3.3 无线接收模块
方案一：单片无线收发器芯片 nRF905 。工作电压为 1. 9～3. 6 V ,工作于 433/ 868/ 915 MHz 三个 ISM 频道, 最大数据速率为 100 Kb/ s。芯片内部集成了频率合成器、接收解 调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器。其主要特点是能够自动处理报头和 CRC 冗余校 验,而且可以直接通过 SPI 接口来进行软件配置。此外,其功耗非常低,以- 10 dBm 的输出功 率发射时电流只有 11 mA ,工作于接收模式时的电流为 12. 5 mA ,并内建有空闲模式与关机 模式,易于实现节能。 方案二：使用 nRF24L01 无线收发模块。其工作频段为 2.4GHz，最高工作速率为 2Mbps， 最远传输距离为 100m，低功耗 1.9V～3.6V 工作，待机模式下为 22μ A，可通过 SPI 接口方 便地与控制器相连。 方案三： 采用 APC220-43 无线串口收发模块。 该模块是高度集成半双工微功率无线数据 传输模块，其嵌入高速单片机和高性能射频芯片。创新的采用高效的循环交织纠检错编码， 抗干扰和灵敏度都大大提高，最大可以纠 24bits 连续突发错误，支持在线编程，3.3~6V 宽 电压范围工作。 综合考虑，本系统采用高速低耗收发模块 nRF905,故采用方案一。
2 系统原理分析和单元单元设计
2.1 NRF905 芯片
2.1.1 NRF905 芯片结构
MOSI/MISO 是发射／接收数据的通道；TRX_CE，TX_EN 是收／发通道的控制端；PWR_UP 是 工作模式控制端；CSN、SCK 为串行接口控制端；CD 是接收模式下载波监测信号输出端；AM 是接收到正确的数据包地址后芯片指示信号的输出端；DR 是发射完一个数据包后芯片指示
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信号的输出端；uPCLK 是芯片提供的一个可设置的时钟源信号输出端；ANT1 和 ANT2 用于天 线部分；XC1 和 XC2 外接电路构成了晶体振荡电路。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、通信协议控制等模块，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。可自动处理字头 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。 由于 nRF905 采用抗干扰能力强的高斯频移键控（GFSK）调制方式，抗干扰能力强，能很好的减少噪声环 境对系统性能的干扰。 其芯片框架及引脚封装如下图所示:
图 2.1.1RNF905 芯片框架图
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图 2.1.2
NRF905 芯片引脚封装形式
2.1.2 NRF905 芯片工作特点
芯片有如下特点：工作频率可通过软件配置，设置在 433/868/915MHz 三个频段，免许 可证使用，最大传输速率 100kb/s 高效 GPSK 调制，抗干扰性强可适合许多工业控制场合； 125 个频道选择，满足多点通信和调频通信的需要；内置硬件 CRC 校验检错和点对点通信地 址控制；1.9V~3.6V 低功耗工作，待机模式下静态电流仅为 2.5uA 收发模式切换时间短，小 于 650us,芯片可通过软件设置地址，可直接和各种单片机连接实用，软件编程非常方便。
2.1.3 NRF905 芯片工作方式
NRF905 有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是 接收模式和 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 芯片的工作以及节能模式
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PWR_UP 0 1 1 1 TRX_CE X 0 1 1 TX_EN X X 0 1 工作及节能模式 关机模式 空闲模式 射频接收模式 射频发射模式
图 2.1.3.1 芯片工作模式
由于 nRF905 具有ShockBurstTM功能， 使得 nRF905 不需要使用昂贵的高速微 控制处理器（MCU）对数据处理／时钟恢复，也能达到较高的数据率。通过在芯片上将所有 的高速信号处理变为射频通信协议，nRF905 芯片提供了一个具有微控制器能力的 SPI 接口， 数据率由具有微控制器功能的接口速率自行设定。收发电路的数字部分是一个低速率电路， 而收发电路的射频链接却是一个处于最高速率的电路， 整个电路要通过变速才能解决速率上 的差异。nRF905 芯片的ShockBurstTM模式减少了在这一过程中的平均电流消耗。 在ShockBurstTMRX 模式中，当一个有效地址的数据包被接收时，能够通过 AM 和 DR 两个信号外送给 MCU。在ShockBurstTMTX 模式中，nRF905 芯片自动地完成报 头的生成和 CRC 校验，当发送过程完成后，能够通过 DR 信号外送给 MCU，发送工作已经完 成。这样可以降低 MCU 对内存的要求，使得 MCU 实现了低成本，同时也缩短了软件的开发周 期。
2.2 接口电路管脚及说明
2.2.1 接口电路管脚
图 2.2.1 NRF 与单片机接口 注：因为单片机提供 5V 电压，超过 NRF905 工作电压，需要用稳压芯片稳压
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2.2.2 管脚相关参数
图2.2.2管脚相关参数
2.2.3 管脚说明
(1) VCC 脚接电压范围为3.3V~3.6V 之间，不能在这个区间之外，超过3.6V 将会烧毁模块。 推荐电压3.3V 左右。 (2)除电源VCC 和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V 单片机IO 口直接相连，无需电平 转换。当然对3V 左右的单片机更加适用。 (3)硬件上没有SPI 的单片机，可以用普通单片机IO 口模拟SPI，不需要单片机SPI 模块介 入，只需添加代码模拟SPI 时序即可。 (4) 13 脚、14 脚为接地脚,需要和母板的逻辑地连接起来 (5)排针间距为100mil,标准DIP 插针。 (6)与51 系列单片机P0 口连接时候，需要加10K 的上拉电阻,与其余口连接不需要。 (7)其他系列的单片机，如果是5V 的，请参考该系列单片机IO 口输出电流大小，如果超过 10mA，需要串联电阻分压，否则容易烧毁模块!如果是3.3V 的，可以直接和RF905 模块的IO
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口线连接。
2.3.4 模块引脚和电气参数说明
NRF905 模块使用 Nordic 公司的 nRF905 芯片开发而成。
图 2.3.4.1NRF905 模块实物图
NRF905 单片无线收发器工作在433/868/915MHZ 的ISM 频段由一个完全集成的频率。 调制器一个带解调器的接收器一个功率放大器一个晶体震荡器和一个调节器组成 ShockBurst 工作模式的特点是自动产生前导码和CRC 可以很容易通过SPI 接口进行编程配 置电流消耗很低在发射功率为＋10dBm 时发射电流为30mA 接收电流为12.5mA.进入 POWERDOWN 模式可以很容易实现节电。
表2.3.4.2模块参考性能
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表 2.3.4.3 模块参考数据
2.3NRF905 工作方式
2.3.1 NRF905 工作方式简介
NRF905一共有四种工作模式, 其中有两种活动RX/TX 模式和两种节电模式。 活动模式 ShockBurst RX ShockBurst TX 节电模式 掉电 和 SPI编程 STANDBY 和 SPI 编程
图2.3.1NRF905工作方式
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2.3.2 ShockBurst 模式
ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但 高速发射，这样可以尽量节能，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。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能； 低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)； 数据在空中停留时间短， 抗干扰性高。 ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。 在ShockBurstTM收发模式下， RF905自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字 头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，当发送过程完成后，DR 引脚通知微处理器数据发射完毕。
2.3.3 ShockBurst TX 发送流程
典型的RF905发送流程分以下几步： A. 当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的 数据送传给RF905，SPI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RF905的ShockBurstTM发送模式； C. RF905的ShockBurstTM发送： (1) 射频寄存器自动开启； (2) 数据打包(加字头和CRC校验码)； (3) 发送数据包； (4) 当数据发送完成， ，数据准备好引脚被置高； D. AUTO_RETRAN被置高，RF905不断重发，直到TRX_CE被置低； E. 当TRX_CE被置低，RF905发送过程完成，自动进入空闲模式。 注意：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，RF905才能接受下一个发送数据包。
2.3.4 ShockBurst RX 接收流程
接收流程 A. 当TRX_CE为高、TX_EN为低时，RF905进入ShockBurstTM接收模式； B. 650us后，RF905不断监测，等待接收数据； C. 当RF905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，AM引脚被置高； E. 当一个正确的数据包接收完毕， RF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把 DR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DR引脚和AM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， RF905立即把其工作模式改 变，数据包则丢失。当微处理器接到AM引脚的信号之后， 其就知道RF905正在接收数据包，
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其可以决定是让RF905继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。
2.3.5 节能模式
RF905的节能模式包括关机模式和节能模式。 在关机模式，RF905的工作电流最小，一般为2.5uA。进入关机模式后，RF905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，RF905内部的部分晶体振荡器处于 工作状态。
2.4 配置 NRF905 模块
所有配置字都是通过SPI接口送给RF905。SIP接口的工作方式可通过SPI指令进行设置。 当RF905处于空闲模式或关机模式时，SPI接口可以保持在工作状态。
2.4.1 SPI 接口寄存器配置
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。 SPI 接口由5 个内部寄存器组成执行寄存器的回读模式来确认寄存器的内容 SPI 接口和5 个内部寄存器 状态寄存器Status-Register 寄存器包含数据就绪DR 和地址匹配AM 状态 RF配置寄存器RF-Configuration Register 寄存器包含收发器的频率,输出功率等配置信息 发送地址TX-Address 寄存器包含目标器件地址字节长度由配置寄存器设置 发送有效数据TX-Payload 寄存器包含发送的有效ShockBurst数据包数据字节长度由配置寄存器设置 接收效数据TX-Payload。
SPI 接口和5 个内部寄存器
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图 2.4.1 SPI 寄存器
寄存器包含接收到的有效ShockBurst 数据包数据字节长度由配置寄存器设置在寄 存器中的有效数据由数据准备就绪DR 指示
2.4.2 SPI 指令设置
当CSN 为低时, SPI接口开始等待一条指令。任何一条新指令均由CSN 的由高到低的转换开 始。用于SPI 接口的有用命令见下表： SPI 串行接口指令设置
表 2.4.2 SPI 串行接口指令
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2.4.3 SPI 时序
图 2.4.3.1 SPI 读操作
图 2.4.3.2 SPI 写操作
2.4.4 NRF905 配置寄存器
表 2.4.4.1 NRF905 配置寄存器内容
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注意：射频寄存器的各位的长度是固定的。然而，在ShockBurstTM收发过程中， TX_PAYLOAD、RX_PAYLOAD、TX_ADDRESS和RX_ADDRESS 4个寄存器使用字节数由配置字决定。 RF905 进入关机模式或空闲模式时，寄存器中的内容保持不变。
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3 STC89C52 的介绍
STC89C52 是一款低功耗、 高性能 CMOS 的 8 位微控制器， 芯片采用 Atmel 公司的高密度、 非易失性存储器技术制造，兼容标准的 MCS-51 指令系统及 8051 引脚结构。STC89C52 具有： 8kB Flash，256 字节 RAM，32 位双向 I/O 口线，看门狗（WDT）定时器，2 个数据指针，2 个 16 位可编程定时器/计数器， 个 6 向量 2 级中断结构， 1 全双工串行口， 片内时钟振荡器。 另外，STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。空闲模式下， CPU 暂停工作，允许 RAM、定时器/计数器、串口、中断系统继续工作。掉电保护模式下冻结 振荡器但保存 RAM 中的数据，单片机部分停止工作，直到下一个中断或硬件复位为止。 STC89C52 的工作电压是 4.5~5.5V，时钟频率可以在 0~33MHz 范围内选择，采用 PDIP、TQFP 和 PLCC 三种封装形式。 实习采用较易焊接的 PDIP 封装形式， 封装引脚分布和外形见图 3.1。 外形的封装尺寸物理参数见表 1.1.1。
图 3.1
STC89C52 的 PDIP-40 封装
表 3.1 STC89C52 PDIP 封装尺寸（mm）
符号 A A1 D E E1 B
最小值 0.381 52.070 15.240 13.462 0.356
最大值 4.826 52.578 15.875 13.970 0.559
符号 B1 L C eB e
最小值 1.041 3.048 0.203 15.494 2.540 典型值
最大值 1.651 3.556 0.381 17.526
采用 PDIP 封装的 AT89S52 有 40 个引脚，下面就对各个引脚的功能进行详细介绍。 VCC：电源 GND：地 P0.0～P0.7：P0 口是一个 8 位漏极开路的双向 I/O 口。作为输出口，每位能驱动 8 个 TTL 逻辑电平。对 P0 端口写“1”时，引脚端用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储 器时， 口也被作为低 8 位地址/数据复用。 P0 在这种模式下， 具有内部上拉电阻。 Flash P0 在
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