单片机短距离无线通信

新疆大学信息学院创新实验室 实验报告

第二组 组员：丁庆奎 李慧莹 邹伟 单片机短距离无线通信 摘要：随着网络技术的飞速发展，短距离无线通信以其特有的抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制较少、安装简便灵活等特点，在许多领域都有着广阔的应用前景。针对不断发展的无线通信市场，各大通信厂商均推出了自己的无线网解决方案，也出现了许多的无线通信协议。如蓝牙技术、802.11（Wi-Fi）和IrDA无线协议等。但迄今为止，由于各个技术厂商的技术不能完全统一，成本难以降低等原因，蓝牙等无线通信技术的应用还是有限的。挪威Nordic公司的无线通信芯片产品具有收发合一，通用频段、低发射功率、高灵敏接收、串口通信等优点，与蓝牙产品比，该产品的成本更低、功耗更低、且协议简单、软件开发简易，因此十分适合低成本的短距离无线通信的场合，在国内有广阔的应用前景。 关键字：nRF401、PTR2000 1.无线数传PTR2000介绍 1.1 nRF401管脚定义 nRF401使用20引脚的SSOIC封装，其引脚排列如图1所示。 XC1,XC2：这两个引脚用于连接外部参考晶振，其中XC1为晶振输入，XC2为晶振输出； VDD：电源输入，电压范围2.7~5.2V; VSS：电源接地； FILT1：滤波器输入； VCO1,VCO2：外接压控振荡电感； DIN：发射数据输入端，该引脚用于从单片机接收要发的数据； DOUT：接收数据输出端，该引脚将无线接收到的数据送入单片机； 图1 nRF401管脚分布 RV_PWR：发射功率设置； CS：频段选择端。CS=0，芯片工作在433.92MHz频段，CS=1，芯片工作在434.33MHz频段； ANT1,ANT2：天线接口； PWR_UP：低功耗控制，该引脚为高电平时，芯片处于正常工作状态（Operating Mode），该引脚为低电平时，芯片为待机状态（Standby Mode）； TXEN：工作模式切换，该引脚为高电平，芯片为数据发送状态（Transmit Mode），该引脚为低电平，芯片为数据接收状态（Receive Mode）。 1.2 nRF401的主要特点 （1） 采用FSK调制解调技术，抗干扰能力强； （2） 在芯片内部同时集成了高频发送、接收电路以及FSK调制和FSK解调功能，使用一块芯片就可以完成全部的数据发送和接收工作； （3） 采用PLL频率合成技术，频率稳定性高；nRF401使用单片机串口收发数据，无需对数据进行曼彻斯特编码，其外围电路连接简单，减小了系统开发的难度； （4） 通过控制芯片外部引脚，可以使芯片随时在发送模式和接收模式之间切换，无需进行任何初始化设置； （5） nRF401的最高数据传输率可以达至少20kbit/s，其最大发射功率为+10dBm，接收灵敏度高达105dBm，在开阔地的使用距离最远可达1000m; （6） 具备433.92MHz和434.33MHz两个不同的数传频段，可以在两个频率之间自由切换； （7） nRF401的电压工作范围在2.7~5.2V之间，可以适应不同的设计需要； （8） 芯片使用低功耗设计，最低工作电压2.7V，支持待机模式，正常接收状态下的接收电流为250uA，发射状态下的发射电流为8mA，待机状态下的待机电流仅为8uA； （9） 芯片的天线接口设计为差分天线，可以采用低成本的PCB天线。 1.3无线数据收发模块PTR2000 本实验采用的无线数据收发模块PTR2000性能优异，其显著特点是所需外围元件少，因而设计非常方便。该模块在内部集成了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制/解调、参量放大、功率放大、频道切换等功能，因而是目前集成度较高的无线数传产品。无线数传模块PTR2000可广泛用于遥控、遥测、小型无线网络、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、水文气象控制、机器人控制、无线232/422/485数据通信、数字音频、数字图像传输等系统。其原理图如下：

图2 无线通信模块原理 1.3 nRF401状态切换 nRF401共有3种工作状态，分别为待机状态（Standby Mode,Std.by）、发送状态（Transmit Mode,TX）和接收状态（Receive Mode,RX）。通过外部引脚的设置，nRF401可以灵活的在这几种模式之间切换。下面为各种状态切换时的时序介绍。 1.3.1 TX与RX切换的时序 当芯片由RX状态切换至TX状态时，需要工作模式切换引脚（TXEN）至少保持1ms的高电平，芯片才能够完成RX到TX切换的动作，由芯片的DIN引脚接收到要发送的数据。 当芯片由TX状态切换至RX状态时，需要工作模式切换引脚（TXEN）至少保持3ms的高电平，芯片才能够完成TX到RX切换的动作，由芯片的DOUT引脚接收到要发送的数据。TX与RX之间状态切换的时序如图3： 图3 TX与RX之间状态切换的时序图 1.3.2 由待机状态到TX或RX状态的时序 从待机状态至TX或RX状态的切换由芯片的PWR_UP引脚控制。待机状态下，若TXEN引脚保持低电平，则将PWR_UP设为高电平2ms后，DOUT引脚输出数据才有效，芯片进入RX状态。若待机状态下TXEN始终保存高电平，则PWR_UP保持为高电平3ms后，DIN引脚输入有效，芯片进入TX状态。由待机状态切换至RX和TX状态的时序如图4。

图4由待机状态到RX或TX状态的时序图 1.3.3 芯片上电后切换至RX或TX状态的时序 芯片上电后，若TXEN始终保持低电平，则4ms后，nRF401稳定处于数据接收状态（RX），DIN引脚有效。若TXEN始终保持高电平状态，则5ms后，nRF401稳定处于数据发送状态（TX），DOUT引脚输出数据有效。芯片上电后切换至这两种状态的时序如图5。

图5 芯片上电后切换至RX或TX状态的时序图 2 实验设计 本实例为此模块简单的收发作用，为保证数据的可靠性，采用循环冗余码校验（即CRC）。它是利用除法及余数的原理来做错误检测的。发送端将数据进行CRC编码，接收端接收到数据后做CRC校验，若余数为0则为正确数据，其他则为错误数据，若数据正确则通过串口将数据送入PC机，否则将数据0xaa送入PC机。 2.1 发送端电路设计 发送端用单片机做信号处理器，PTR2000模块的DO和DI分别与单片机的RXD和TXD连接。利用单片机的I/O可以控制模块的发射控制、频道转换和低功耗模式。单片机可直接通过将P3.7位置高电平或低电平而将无线收发模块置于发射或接收状态。接口电路如图6。

图6 发送端电路原理图

2.2 接收端设计 接收端同样用单片机作为无线模块PTR2000与PC机通信的中间处理器，即将收到的数据经CRC校验后，通过RS-232串口与PC机通信。并可通过数码管观察接收到的数据是否正确。由于DO输出电流太小，因此需用74HC244将电流放大。将模块PWR引脚接高电平、CS引脚接低电平，使芯片始终正常工作在433.92MHz频段。由于此模块用STC89C52单片机，仅有一个串口，因此用其与发送端双工通信较难控制，因此可选用更高级的单片机，如W77E58,其作为增强型的8051单片机，片内自带两个UART串口，串口部分提供地址自动识别和帧出错诊断功能。本例接收端原理如图7.

图7 接收端电路原理图

参考文献： [1]C51单片机典型模块设计与应用. 边春元 李文涛 江杰 杜平等. 机械工业出版社 2008年4月 [2]单片机通信技术与工程实践. 求是科技. 人民邮电出版社 2005年1月 [3]单片机应用系统开发实例导航. 求是科技 靳达. 人民邮电出版社 2003年10月 备注： [1]接收模块C51程序： #include #include "intrins.h" #include "stdio.h" unsigned char table[]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d, 0x7d,0x07,0x7f,0x6f}; unsigned int fcs[8],chushu[3]={1,0,1},crc[3]; sbit a=P0^0;sbit b=P0^1;sbit c=P0^2;sbit d=P0^3;sbit e=P0^4; sbit f=P0^5;sbit g=P0^6;sbit h=P0^7; unsigned char r_data,rflag; sbit TXEN=P2^0; sbit P21=P2^1; void init_uart() { TMOD=0x20; //定时方式2，自动重装 TH1=0xfd; TL1=0xfd; SCON=0x50; //串口工作方式1 TR1=1; ES=1; EA=1; } void isr_uart()interrupt 4 { RI=0; r_data=SBUF; rflag=1; }

void delayms(unsigned char m) { unsigned char i,j; for(i=0;i for(j=0;j<110;j++); }

void get_crc(unsigned int test[8]) //得到最后三位CRC { unsigned int *p,*flag; int i; for(flag=&test[5];flag>=test;flag--) { p=flag; for(i=0;i<=2;i++) // fcs前3位送入crc { crc[i]=*p; p++; } p=flag; if(crc[2]==1) { for(i=0;i<=2;i++) { crc[i]=crc[i]^chushu[i]; *(p+i)=crc[i]; } } else { for(i=0;i<=2;i++) {