基于nRF905无线数传模块的设计及其实现

技术创新

中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００６年第２２卷第１１－２期电子设计

基于ｎＲＦ９０５无线数传模块的设计及其实现

ＴｈｅＤｅｓｉｇｎａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＭｕｌｔｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎＷｉｒｅｌｅｓｓＭｏｄｕｌｅＢａｓｅｄｏｎＲＦＴｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｎＲＦ９０５

（华北电力大学）吕跃刚高晟辅范俊峰王晏晏

ＬＶＹＵＥ－ＧＡＮＧＧＡＯＳＨＥＮＧＦＵＦＡＮＪＵＮＦＥＮＧＷＡＮＧＹＡＮＹＡＮ

摘要：本文介绍了挪威ＮｏｒｄｉｃＶＬＳＩ公司最新推出的单片无线收发一体芯片ｎＲＦ９０５的结构和工作特点，以及在此基础上设计的多功能无线数传模块。该模块主要由标准ＲＳ２３２Ｃ接口、标准ＲＳ４８５接口、无线通信接口三部分组成。根据实际工作要求编写相应的通信协议，可以应用在不同的领域中。

关键词：无线通信，ｎＲＦ９０５，ＳＰＩ，单片机，ＰＣ机

中图分类号：ＴＮ８３２／８３９；ＴＰ３３４文献标识码：Ｂ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｔｒｏｄｕｃｅｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆｎＲＦ９０５，ａｋｉｎｄｏｆｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｄａｔａｂａｓｅｄｏｎｒａｄｉｏｆｒｅ－ｑｕｅｎｃｙｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｎＲＦ９０５ｏｆｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＴｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆＲＳ２３２Ｃ，ＲＳ４８５ａｎｄｗｉｒｅｌｅｓｓ－ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｉｎ－ｔｅｒｆａｃｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｗｏｒｋｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｔｏｃｏｌｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ａｎｄａｐｐｌｉｅｄｉｎｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙｆｉｅｌｄｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ－ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ，ｎＲＦ９０５，ＳＰＩ，Ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ，ＰＣ

文章编号：１００８－０５７０（２００６）１２－２－０２７４－０３

１引言

当代科学技术日益向高速化、智能化、信息化、网

络化发展，各种各样的制造业和通信业设备除了可以

与计算机联机外，还可以互相联机，而实现设备间相

互联机的最具发展潜力的方式就是无线通信。与有线

通信方式相比，无线通信具有一系列优点，特别适用

于手持现场设备、电池供电设备、遥控遥测设备、水文

气象监控设备、生物信号采集系统、工业数据采集系

统等。在上述无线通信技术应用实际中，无线通信协

议起着至关重要的作用，直接关系到无线通信系统的

安全性和误码率以及系统运行的速度。本文基于挪威

ＮｏｒｄｉｃＶＬＳＩ公司最新推出的单片无线收发一体芯片

ｎＲＦ９０５设计出多功能无线数传模块：具有标准

ＲＳ２３２Ｃ和ＲＳ４８５接口通信模块，设计的多功能无线

数传模块由基于ｎＲＦ９０５的高频头和标准通信接口模

块组成。

２硬件设计

２．１高频头设计

２．１．１ｎＲＦ９０５简介

ｎＲＦ９０５是挪威ＮｏｒｄｉｃＶＬＳＩ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

（５×５ｍｍ），工作于４３３／８６８／９１５ＭＨｚ三个ＩＳＭ（工业、科

学和医学）频道，频道之间的转换时间小于６５０ｕｓ。

ｎＲＦ９０５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，

ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ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，以及管脚功能如表１所示。

图１ｎＲＦ９０５结构图

吕跃刚：教授

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图２由ｎＲＦ９０５组成的高频头用户接口

２．１．２高频头用户接口设计

图２中给出了由ｎＲＦ９０５组成的高频头用户接口，该接口由１０个数字输入／输出Ｉ／Ｏ组成，按照工作可分为三组：

＊模式控制

该接口由ＴＲＸ＿ＣＥ、ＴＸＥＮ、ＰＷＲ组成控制由ｎＲＦ９０５组成的高频头的四种工作模式：掉电和ＳＰＩ编程模式；待机和ＳＰＩ编程模式；发射模式；接收模式，各种模式的控制模式见下表１。

＊ＳＰＩ接口

ＳＰＩ接口由ＳＣＫ、ＭＩＳＯ、ＭＯＳＩ以及ＣＳＮ组成。（１）在配置模式下单片机通过ＳＰＩ接口配置高频头的工作参数；

（２）在发射／接收模式下单片机ＳＰＩ接口发送和接收数据。

＊状态输出接口

提供载波检测输出ＣＤ，地址匹配输出ＡＭ，数据

就绪输出ＤＲ。

表１各种模式的控制模式

２．２标准通信接口模块

标准通信接口模块主要由三部分组成：标准

ＲＳ２３２Ｃ接口模块；标准ＲＳ４８５接口模块；无线通信接口模块。标准ＲＳ２３２Ｃ接口模块，采用ＭＡＸＩＭ公司生产的ＭＡＸ２３２Ａ芯片将微处理器（ＭＣＵ）的ＴＴＬ电平与ＰＣ机串口标准ＲＳ２３２Ｃ电平进行相互转换。标准ＲＳ４８５接口模块采用Ｍｏｔｏｒｏｌａ公司生产的ＭＣ３４８６和ＭＣ３４８７电平转换芯片实现ＴＴＬ电平与ＲＳ４８５电平的转换。无线通信接口模块采用Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生产的７４ＬＶＣ４２４５Ａ电平转换芯片实现３Ｖ与５Ｖ电平转换，可以实现ＭＣＵ与ｎＲＦ９０５之间的双向数据通信。其工作原理为：根据事先设定的通信协议，ＭＣＵ通过设定７４ＬＶＣ４２４５Ａ的ＤＩＲ引脚为高和低电平，可以分别实现数据由ＭＣＵ到ｎＲＦ９０５的传输（即５Ｖ转换为３Ｖ）和ｎＲＦ９０５到ＭＣＵ的传输（即３Ｖ转换为５Ｖ）。

３软件设计

３．１ＲＳ２３２接口通信软件设计

在本设计中ＰＣ机发送字符与接受字符均采用查询方式，发送前先读取通信或状态寄存器，查询发送保持寄存器是否为空；接收前先读取通信或状态寄存器，查询一帧据是否收完。从机采用中断方式，即接受到地址帧后就进行串行口中断申请，ＣＰＵ响应后，进

入中断服务程序。

ＰＣ机通讯程序用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ开发。我们利用了ＶＢ提供的串行通讯专用ＡｃｔｉｖｅＸ控件ＭＳＣｏｍｍ，该

控件屏蔽了通讯过程的低层操作。只需设置

ＭＳＣｏｍｍ控件的相应属性，调用控件相应方法和事件，按照通讯协议要求发出命令号，下位机完成相应功能，便能实现数据通讯。

３．２ＲＳ４８５接口通信软件设计

利用ＲＳ４８５接口可以实现ＰＣ机与单片机之间、

单片机与单片机之间的远距离点对点和点对多点的异

步串行通信。由于ＲＳ４８５通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一物理信道。在任意时刻只允许一台单

机处于发送状态。因此要求应答的单机必须在侦听到

总线上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其它单机发出应答信号的情况下，才能应答。半双工通讯对主机和

从机的发送和接收时序有严格的要求。如果在时序上配合不好，就会发生总线冲突，使整个系统的通讯瘫痪，无法正常工作。对于多机通信，总线上所连接的各单机的发送控制信号在时序上应完全隔开，以保证发送和接收信号的完整和正确避免总线上信号的碰撞。

图４ｎＲＦ９０５接收模式

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３．３基于ｎＲＦ９０５的高频头的无线通信软件设计

由于与ＲＦ协议相关的高速信号处理部分已经嵌

入在模块内部，高频头可与各种低成本单片机配合使

用，也可以与ＤＳＰ等高速处理器配合使用；高频头提

供一个ＳＰＩ接口，速率由微控制器自己设定的接口速

度决定。在ＲＸ模式中，地址匹配（ＡＭ）和数据准备就

绪（ＤＲ）信号通知ＭＣＵ一个有效的地址和数据包已经

各自接收完成，微控制器即可通过ＳＰＩ读取接收的数

据。在ＴＸ模式中，高频头自动产生前导码和ＣＲＣ校

验码，数据准备就绪（ＤＲ）信号通知ＭＣＵ数据传输已

经完成。这意味着降低ＭＣＵ的存储器需求也就是降

低ＭＣＵ成本，同时缩短软件开发时间。ｎＲＦ９０５接收

模式如图４所示，ｎＲＦ９０５发射模式如图５所示。

３．３．１配置编程

上电以后ＭＣＵ首先配置高频头模块。先将ＰＷＲ、

ＴＸＥＮ、ＴＲＸ＿ＣＥ设为配置模式（见表１），ＭＣＵ通过

ＳＰＩ将配置数据移入高频头模块；在掉电和待机模式

工作后，配置内容仍然有效。配置数据只有当电源撤

除后才会丢失。

３．３．２发射模式

＊当ＭＣＵ有数据需要发往规定节点时，接收节点

的地址（ＴＸ－ａｄｄｒｅｓｓ）和有效数据（ＴＸ－ｐａｙｌｏａｄ）通过ＳＰＩ

接口传送给高频头。应用协议或ＭＣＵ设置接口速度。

＊ＭＣＵ设置ＴＲＸ＿ＣＥ，ＴＸＥＮ为高来启动传输。

＊高频头内部处理：

（１）无线系统自动上电

（２）数据包完成（加前导码和ＣＲＣ校验码）

（３）数据包发送（１００ｋｂｐｓ，ＧＦＳＫ，曼切斯特编码）

＊如果ＡＵＴＯ＿ＲＥＴＲＡＮ被设置为高，高频头将连

续地发送数据包，直到ＴＲＸ＿ＣＥ被设置为低。

＊当ＴＲＸ＿ＣＥ被设置为低时，高频头结束数据传

输并将自己设置成待机模式。

３．３．３接收模式

＊通过设置ＴＲＸ＿ＣＥ高，ＴＸＥＮ低来选择ＲＸ模式。

＊６５０ｕｓ以后，高频头监测空中的信息。

＊当高频头发现和接收频率相同的载波时，载波

检测（ＣＤ）被置高。

＊当高频头接收到有效的地址时，地址匹配（ＡＭ）

被置高。

＊当高频头接收到有效的数据包（ＣＲＣ校验正确）

时，高频头去掉前导码，地址和ＣＲＣ位，数据准备就绪

（ＤＲ）被置高。

＊ＭＣＵ设置ＴＲＸ＿ＣＥ低，进入ｓｔａｎｄｂｙ模式（待机

模式）。

＊ＭＣＵ可以以合适的速率通过ＳＰＩ接口读出有

效数据。

＊当所有的有效数据被读出后，高频头将ＡＭ和

ＤＲ置低。

４结束语

随着信息技术和计算机科学的变革和发展，无线

通讯技术已经成为一种发展趋势在各个领域当中逐

步得到应用。无线通讯传输技术具有成本低、无需通

讯电缆、不受应用环境限制、组态灵活、重构性强等优

点，这就给无线通信技术带来了很大的发展空间。本

文采用了挪威ＮｏｒｄｉｃＶＬＳＩ公司最新推出的单片无线

收发一体芯片ｎＲＦ９０５，并在此基础上设计出多功能无

线数传模块。

经过实际检验，此模块运行稳定，通信可靠，能

够实现远距离无线通信，ＰＣ机与单片机之间、单片

机与单片机之间的远距离点对点和点对多点的异步

串行通信。从实用性角度考虑，可以运用在遥控、遥

测、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系

统、无线标签、身份识别、非接触ＲＦ、智能卡、小型无

线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信

号采集、水文气象监控、机器人控制、信息家电等实

际工作环境中。

图５ｎＲＦ９０５发送模式

此稿创新点：《基》这篇文章深入剖析了挪威

ＮｏｒｄｉｃＶＬＳＩ公司最新推出的单片无线收发一体芯片

ｎＲＦ９０５的硬件结构和工作特点。重点描述了在此基础

上设计的多功能无线数传模块，以及根据实际工作要

求进行的软件设计实现相应的通信协议，根据接口特

点可将它应用在遥控、遥测等同的领域中。本文对广

大射频技术研究者以及相关产品开发者具有实际参

考价值，相信能对读者有一定帮助。

参考文献：

［１］Ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ４３３／８６８／９１５ＭＨｚＴｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｎＲＦ９０５．ＮｏｒｄｉｃＶＬＳＩ

ＡＳＡ，２００４．１．

［２］ｎＲＦ９０５ＲＦａｎｄａｎｔｅｎｎａｌａｙｏｕｔ．ＮｏｒｄｉｃＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＡＳＡ，

２００４．１０．（下转第１６３页）

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ＲＦＩＤ射频识别

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其中流水号为同种物品的顺序编号，例如：如果表中已经存在了编号为００１００１００１００１的物品，再加入生产厂商代号为００１，客户代号为００１，种类编号为００１的物品时系统对这个物品的编号就为００１００１００１００２，最后一位顺序加一。

这种编码规则的使用在实际操作中应该是在物品出厂的时候由生产厂商为出厂物品进行编码，然后在物品入库的时候物品都应该是带有编码的，仓储物流自动化管理系统只需要根据物品的电子标签上面的信息将物品入库并将分配给物品的存放地点写入电子标签中即可。

３．２．４数据库中存储过程及触发器的设计在数据库中创建的存储过程主要分为３类：插入数据的存储过程、删除数据的存储过程、查询数据的存储过程。插入数据的存储过程主要实现的是对数据库中表的添加，例如在入库表，出库表，库内移动表中插入仓库操作数据；

在客户表，登录表，仓库表，物品表，职工表等表中插入数据，以添加各个实体数据；删除数据的存储过程实现的主要功能与插入相反，它主要是实现对客户表，登录表，仓库表，物品表，职工表等表中的实体数据进行删除操作；

查询数据的存储过程主要应用在报表的生成上，各种报表调用相应的存储过程以实现对需要用到的表进行查询，显示查询结果作为报表的数据源。下面只简单介绍一下添加新物品的存储过程，因为这个存储过程涉及到了自动为物品编码的问题。

在添加新物品的存储过程中，设立了６个输入参数和一个输出参数。６个输入参数分别是要新增物品的名称，生产厂商代号、种类代号、规格、等级和客户代号；输出参数为插入数据后系统分配给该物品的编号，返回给用户。

存储过程按照编码规则对物品进行编码，先提取需要用于给物品进行编号的３个属性生产厂商代号、客户代号和种类编号作为物品代号的前９位，然后系统再根据这３个参数在物品列表中查找前９位与这个物品相同的物品，如果存在就将这些物品的代号的最后３位取出最大值加一作为新物品的最后三位，如果不存在就直接赋值为００１。然后再将这个得出的标号作为新物品的编号和物品信息一起存入物品列表中，并将物品编号返回给用户。其它存储过程及触发器的作用略。

４结论

本文采用ＳＱＬＳＥＶＥＲ２０００数据库管理系统设计并完成了基于电子标签技术的物流自动化管理系统后台数据库的开发任务，实现了系统的入库、出库、报表、储位查询、物品查询、客户查询、仓库及人员管理

模块等功能。

本文作者的创新点是：将射频识别技术应用于物流自动化管理系统中，应用了电子标签的非“可视性”和可写性，在货物出入库时只需要进入读写器的能量场范围内即可读取，同时可以根据出、入库的实际需要对标签信息进行在线改写。只要“读”到标签就可以知道货物的存放及入库信息，不仅不用拆包移垛而且避免了人工清点的复杂性合适物，大大提高了库存盘点的准确性和工作效率。

参考文献：

［１］廉小亲，翁贻方等，

基于电子标签技术的物流自动化管理系统［Ｊ］．微计算机信息．２００６，５２２（５－３）．Ｐｐ．１３７－１３８．［２］Ｋ．Ｗａｔｓｏｎ，Ｍ．Ｂｅｌｌｉｎａｓｏ等著，康博译．Ｃ＃入门经典（第３版）［Ｍ］．北京：

清华大学出版社．２００６．５．Ｐｐ．１￣８６４［３］数据库设计三大范式应用实例剖析［电子文档］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．５１ｔｅｓｔｉｎｇ．ｃｏｍ／ｈｔｍｌ／２３／９２０．ｈｔｍｌ．２００６

作者简介：廉小亲（１９６７－９），女，博士，副教授，研究领

域：计算机控制。

Ｂｉｏｇｒａｐｈｙ：ＬｉａｎＸｉａｏｑｉｎ（１９６７－９）．Ｆｅｍａｌｅ．Ｄｒ．，Ａｓｓｏｃｉａｔｅ

ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ．Ｍａｊｏｒｓｕｂｊｅｃｔ：ｃｏｍｐｕｔｅｒｃｏｎｔｒｏｌ．

（１０００３７，北京工商大学信息工程学院）廉小亲冯允

张晓力吴叶兰（１０００３７，ＳｃｈｏｏｌｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＢｅｉｊｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌ－ｏｇｙａｎｄＢｕｓｉｎｅｓｓＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ）ＬｉａｎＸｉａｏｑｉｎＦｅｎｇＹｕｎＺｈａｎｇＸｉａｏｌｉＷｕＹｅｌａｎ

（收稿日期：２００６．６．２６）（修稿日期：２００６．７．２７）

（上接第２７６页）

［３］陈蕾，

仇润鹤，薛冰雷．一种应用于车载系统的ＧＰＳ接收机射频前端的设计［Ｊ］．微计算机信息，２００５，１２：１９６－１９７

［４］李群芳，张士军，黄建．单片微型计算机与接口技术．北京：电子工业出版社，２００５．

［５］李朝青．ＰＣ机及单片机数据通信技术．北京：北京航空航天大学出版社，２０００．

［６］王秉钧．通信系统．西安：西安电子科技大学出版社，１９９９．

作者简介：吕跃刚（１９５８－），男，籍贯吉林，教授，研究方向为检测技术与自动化装置；高晟辅（１９７９－），男，籍贯宁夏，硕士研究生，研究方向为检测技术与自动化装置；王晏晏（１９８２－），女，籍贯四川，硕士研究生，主要研究嵌入式系统在工控领域的应用；范俊峰，（１９８１－），男，籍贯四川，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统，ＣＰＬＤ／ＦＰＧＡ的开发与应用。

（１０２２０６北京市华北电力大学控制科学与工程学院）吕跃刚高晟辅范俊峰王晏晏

（ＳｈｏｏｌｏｆＣｏｎｔｒｏｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＥｌｅｃ－ｔｒｉｃＰｏｗｅｒＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＢｅｉｊｉｎｇ１０２２０６，Ｃｈｉｎａ）Ｌｖ，ＹｕｅｇａｎｇＧａｏ，ＳｈｅｎｇｆｕＦａｎ，ＪｕｎｆｅｎｇＷａｎｇ，Ｙａｎｙａｎ

通讯地址：（１０２２０６北京市华北电力大学３９１＃信箱）

吕跃刚

（收稿日期：２００６．３．２８）（修稿日期：２００６．４．２７）