大型会议投票的无线表决器 毕业论文.doc

摘 要 本文主要研究并开发一种应用于大型会议投票的无线表决器的硬件部分，它能采集，传送，收集，统计会议中每位代表的表决意见。当每位予会人员按下终端上（同意，不同意，弃权）中任一按键时，由终端内部经判断产生一个特定的数据帧。再由采用TDMA技术的表决器的无线传输系统进行传送和接收。最后。经USB接口送计算机统计分析数据并显示最后投票结果。本文给出了该无线表决系统硬件原理图，软件流程图，各种功能的实现方式。关键词：无线表决器，nRF9E5模块，射频SOC数据传输，无线通信51 系列ABSTRACTIn this passage, We introduced the newest wireless voting machine. It includes each components, working ways, and dispose ways in this system. It depends on the wireless dispatcher chipnRF9E5 which are produced by Nordic VLSI company in 2004 Feb 5th.It is used to collect, transmit, gather the voting message emerging in the meeting, and then to analysis of them. By the way ,we analysis the structure and the application of the wireless data transmitting system .As far as the communication protocol which are planed for the wireless data transmitting system working on nRF9E5. We give the principle picture of hardware and program flow chat .we introduce the insider structure of the chip. And all kinds of special function register s addresses, the application methods of I/O. Above all, we use nRF9E5 chip to apply every function of the Voting machine. keyword: wireless voting machine, nRF9E5 chip, wireless transmitting system, SOC data transmit system.目 录第一章 绪 论41.1引言41.2无线表决器的系统模型5第二章 无线表决器的工作原理6第三章 无线表决器的内部构造83.1 nRF9E5硬件83.2 nRF9E5的收发方式103.3 载波检测113.4 nRF9E5的引角及电气参数11第四章 无线表决器数据传输系统134.1 传输系统134.2 通信协议144.3微处理器用户程序174.4 无线数据传输系统的实现18结 论23致 谢24参考文献25第一章 绪 论1.1引言绪论本无线表决器主要采用Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系统级RF芯片- nRF9E5.用于无线数据的处理和传输。它自身带有其内置nRF905 433/868/915MHz收发器、8051兼容微控制器，电压调整模块，最大限度地抑制噪音，为系统提供1.93.6V的工作电压，QFN55mm封装，具有载波检测功能。可实现一系列完整的自动发送，收集，整理会议表决意见的功能。本无线表决器的基本工作步骤如下：首先在EEPROM中固化相应的程序，上电时对微控制器的P1.0,P1.1,P1.2三个口进行寻址。检测其电平的高低状态，由程序得出相应的数据帧。然后，nRF9E5使用它本身具有的ShockBurst(自动处理前缀、地址和CRC)的特性，进行高速的数据传输。在整个系统中，PC机和数据终端之间的无线通信采用433MHz的频段作为载波频率。为了避免同频干扰的问题，系统采用TDMA（Time Division Multiple Access）通信技术。主接收器采用逐一扫描的方式探测各个数据终端有没有收发通信请求或其它任务；数据终端则采用中断方式，对主接收器发出的地址信息进行处理。最后进行数据的整理和显示，计算机和接收模块通过USB口互连。通过设置相应程序，把一系列数据帧送到计算机的特定内存空间。再由应用程序进行分析，归类，累加得出表决结果。最后通过计算机送显示器。本无线表决器系统的主要特点是能够快速，准确的收集并统计会议中出现的表决意见。但在系统稳定性上还有一定的欠缺。它能够大大加快会议表决工作的进程。第二章 无线表决器的工作原理无线表决器的基本工作原理: 图2.1 nRF9e5功能图1. 数据的输入：首先在EEPROM中固化相应的程序，上电时对微控制器的P1.0,P1.1,P1.2三个口进行寻址。检测其电平的高低状态，由程序得出相应的数据帧。送发射模块发射。2. 数据的传送与接收:nRF9E5使用ShockBurst的特性，（ShockBurst就是自动处理前缀、地址和CRC的方式。进行高速的数据传输。与射频数据相关的协议由nRF9E5片内的nRF9E5收发器自动处理。nRF9E5只用简单的SPI接口便能和nRF9E5进行数据传输，数据传输的速度取决于SPI接口的速度，这个可以在nRF9E5片内8051内核中进行配置。ShockBurst实现低速数据输入，高速数据输出，ShockBurst接收方式下，当收到一个有效地址的射频数据包时，地址匹配寄存器位（AM）和数据准备好寄存器位（DR）通知片内MCU把数据读出。在ShockBurst发送方式下，nRF9E5自动给要发送的数据加上前缀和CRC校验。当数据发送完后，数据准备好寄存器位（DR）会通知MCU数据已经处理完毕。最后，MUC把数据存入ROM. 在整个系统中，PC机和数据终端之间的无线通信采用433MHz的频段作为载波频率。为了避免同频干扰的问题，系统采用TDMA（Time Division Multiple Access）通信技术。主接收器采用逐一扫描的方式探测各个数据终端有没有收发通信请求或其它任务；数据终端则采用中断方式，对主接收器发出的地址信息进行处理，若与本机地十相符则执行命令。3. 数据的整理和显示：计算机和接收模块通过USB口互连。通过设置相应程序，把一系列数据帧送到计算机的特定内存空间。再由应用程序进行分析，归类，累加得出表决结果。最后通过计算机送显示器。第三章nRF9E5芯片介绍本无线表决器的核心器件就是nRF9E5，整个系统如何运行基本上就是看该芯片如何工作。下面介绍一下该芯片各个部分的组成和工作原理。3.1 nRF9E5硬件3.1.1微控制器nRF9E5的片内微控制器与标准8051兼容，指令时序与标准8051稍有区别。典型的区别是：nRF9E5的片内微控制器的指令周期为4到20个指令周期。中断控制器支持5个扩展中断源：ADC中断、SPI中断、RADIO1中断、RADIO2中断和唤醒定时器中断。片内控制器还有3个与8052相同的定时器。1个和8051相同的串口，可以用定时器1和定时器2来作为异步通信的波特率产生器。此外，还扩展了2个数据指针，以方便于从XRAM区读取数据。微处理器中有256B的数据RAM和512B的ROM。上电复位或软件复位后，处理器自动执行ROM引导区中的代码。用户程序通常是在引导区的引导下，从EEROM加载到1个4KB的RAM中，这个4KB的RAM也可作存储数据用。NRF9E5的大部分寄存器和标准8051相同，只是增加了一些特殊功能寄存器，如RADIO（P2）、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY、RCAP2L、RCAP2H、CKLFCON等。nRF9E5中的P0、P1和P2口寄存器地址和标准8051中的相同，都是0x80、0x90、0xA0,但功能和标准8051中的有所不同。3.1.2 CKLF时钟、RTC唤醒定时器、GPIO唤醒和WTDnRF9E5内有一个低频的时钟CKLF，该时钟常开。当晶振开始工作后，CKLF频率为4Hz；晶振不工作时，CKLF是一个低功耗RC晶振器，只要VDD1.8V，其连续工作。RTC唤醒定时器、WTD（看门狗）和GPIO唤醒全都工作在CKLF频率，以保证芯片功耗工作时能够完成这三个功能。RTC唤醒定时器是一个24位可编程控制的递减计数器，WTD则是一个16位可编程控制递减计数器。RTC唤醒定时器和WTD的循环周期一般在300s80ms，默认为1ms。RTC唤醒定时器也能作GPIO的输出源，也就是说，当RTC唤醒定时器初始化时间发生溢出时，能够产生一个用作GPIO输出的程序脉冲。3.1.3 SPI接口和A/D转换器SPI（串行外设接口）的接口引脚有MISO（接收EEPROM的SDO送来的数据）、SCK（给EEPROM的SCK提供时钟信号）、MOSI（送数据到EEPROM的SDI）、EECSN（给EEPROM的CSN送使能信号）。SPI口的MISO、SCK和MOSI与P1口的低3位重用，通过寄存器SPI_CTRL控制来控制功能间的撤换。SPI硬件不产生任何片选信号，可以用GPIO口来进行片选。通常，系统上电时，SPI自动和片外25320相连。当程序加载完成后，MISO（P1.2）、MOSI（P1.0）可能会用作其它用途，比如其它的SPI器件或GPIO。nRF9E5片内有10位ADC，A/D转换参考电压可以通过软件设置在AREF和1.22V之间（内部参考电压）。A/D转换器的4个输入可通过软件进行选择，信道03可以把对应引脚AIN0AIN3上的电压值分别转换为数字值，信道4用于对nRF9E5工作电压的监控。A/D转换器默认工作于10位方式，可通过软件使其工监控。A/D转换器默认工作于10位方式，可通过软件使其工作于6位、8位或12位方式。 3.1.4 射频收发器nRF9E5收发器通过内部并行口或内部SPI口与其它模块进行通信 ，具有同单片射频收发器nRF905相同的功能。收发器通过片内MCU的并行口或SPI口与微控制器通信，数据准备好，载波检测和地址匹配信号能够作为微控制器和中断。nRF905工作于433/868/915MHz ISM频段。收发器由1个完整的频率合成器、1个功率放大器、1个调节吕和2个接收器组成。输出功率、频道和其它射频参数可通过对特殊功能寄存器RADIO（0xA0）编程进行控制。发射模式下，射频电流消耗为11mA,接收模式下为12.5mA。为了节能，可通过过程控制收发器的开/关。3.2 nRF9E5的收发方式不同于nRF401和nRF903，nRF9E5使用SPI接口进行单片机与无线模块间的数据传输。这部分在nRF9E5片内的8051内核与nRF905射频收发器之间完成。nRF9E5片内的8051内核与nRF905射频收发器之间完成。nRF905片内的8051内核与nRF905射频收发器之间完成。nRF9E5的收发器有三种工作方式，ShockBurst接收（RX）方式、ShockBurst发送（TX）方式和空闲方式。当收发器在空闲方式下，微控器依然在运行。nRF9E5使用Nordic VLSI公司的ShockBurst的特性（ShockBurst就是自动处理前缀、地址和CRC的方式），进行高速的数据传输。与射频数据相关的协议由nRF9E5片内的nRF9E5收发器自动处理。nRF9E5只用简单的SPI接口便能和nRF9E5进行数据传输，数据传输的速度取决于SPI接口的速度，这个可以在nRF9E5片内8051内核中进行配置。ShockBurst实现低速数据输入，高速数据输出，从而降低了系统的平均能耗。在ShockBurst接收方式下，当收到一个有效地址的射频数据包时，地址匹配寄存器位（AM）和数据准备好寄存器位（DR）通知片内MCU把数据读出。在ShockBurst发送方式下，nRF9E5自动给要发送的数据加上前缀和CRC校验。当数据发送完后，数据准备好寄存器位（DR）会通知MCU数据已经处理完毕。当系统没有发送和任务时，其进入空闲方式，nRF9E5在空闲方式下，一旦有任务要处理时，其能够在很短的时间内就进入ShockBurst接收方式和ShockBurst发送方式。空闲方式下，晶体振荡器依然工作，配置字中的内容不至于丢失。3.3 载波检测在ShockBurst接收方式下，当出现nRF9E5工作信道内的射频载波时，载波检测引脚（CD）被置高，这个特性很好的避免了同一工作频率下不同发射器数据包之前的碰撞。当收发器准备发射数据时，它首先进入接收方式并探测所工作的信道是否空闲。载波检测的标准一般比灵敏度低5dB，比如，灵敏度为-100dBm，载波检测功能探测低至-105dBm的载波。也就是说，载波低于-105dBm，载波检测信号为低（一般为0），高于-95dBm，则载波检测信号为高（一般为VDD），介于-10595dBm之间，载波检测信号可能为低也可能为高。3.4nRF9E5的引角及电气参数supply voltageVDD -0.3Vto +3.6VVSS 0VInput VoltageVI -0.3Vto VDD+0.3VOutput VoltageVO -0.3V to VDD+0.3VTotal Power DissipationPd(TA=85C) 230mWTemperatureOperating Temperature -40Cto+85CStorage Temperature -40Cto+125C图2 nRF9E5引角详图第四章 无线表决器数据传输系统4.1传输系统模型无线接收模块大型显示器 usb接口 无线发射模块（表决器终端）无线发射模块（表决器终端）无线发射模块（表决器终端）无线发射模块（表决器终端） 图4.1 系统模型无线表决器系统分为三个主要部分：1.无线发射模块（表决器终端），一般的会议表决系统中，每位参加会议人员手中有一个表决器终端，上面有三个键。分别为“同意”,“不同意”，和“弃权”.当开始表决时，每位按下相应的一个键。由表决器终端产生一个无线数据，并发送出去。2.无线接收模块，接收无线数据。对信息进行汇总后，通过USB接口送入计算机。3.对上一模块传送的数据通过相应的程序进行分类，累加，整理，最终送显示器显示会议表决结果。无线数据传输系统有点对点，点对多点和多点对多点三种。本系统由于实际应用的需要，由于位PC机，主接收器和多台数据终端组成。主接收器和数据终端之前的数据传输通过nRF9E5进行，构成点对多点多无线数据传输系统。整个系统中，PC机和数据终端之间的无线通信采用433MHz的频段作为载波频率。为了避免同频干扰的问题，系统采用TDMA（Time Division Multiple Access）通信技术。主接收器采用逐一扫描的方式探测各个数据终端有没有收发通信请求或其它任务；数据终端则采用中断方式，对主接收器发出的地址信息进行处理，若与本机地十相符则执行命令。由此可见，上位PC机与数据终端的通信转化为主接收器与数据终端间的通信，以及PC机与主接收通过串口（USB或UART）间的通信。整个无线数据传输系统的结构如图所示。图4.2 无线数据传输系统的结构4.2 通信协议通信协议是通信双方为实现信息交换而制定的规则。本系统采用时分多路访问通信技术（TDMA），将点对多点的通信方式转化为点对点的通信，因此必然涉及信源与信宿之间建立通信连接时的地址匹配问题。由于主接收器与数据终端之间的通信可能会受到其它数据终端或外界环境的干扰而发生错误，因此，需要通信协议来保证数据传输的可靠性。nRF9E5只有一种协议格式，其中的前缀也就是数据，设备地址包括本机的地址和主接收器的地址，CRC校验可进行选8位或16位。在本系统中，是由一台中央监控设备CMS（center monitering system）和多台远程终端节点RTN（remote terminal nodes）组成的多任务无线通信网络。CMS可与在其信号覆盖范围内的RINT进行直接通讯，在其工作信号覆盖范围之外的RIN通过其它节点转载信号实现与CMS的间接通讯。同时，CMS能够根据接收的数据内容判断信号来自哪一个RTN节点。为此，需把系统通讯协议设置为下列格式：表1 通讯协议设置Prea-mbleAddPayloadCRCJidMidYidXDataPreamble为引导字节；Add为接收机地址；Payload为有效加载数据（包括接收机识别码Jid、目的机识别码Mid、源信号机识别码Yid及Data字：状态字X=1时Data为命令字，X=0时Data为浓度数据）；CRC为校验码。nRF9E5处于发射模式时，Add和Payload由微控制器按顺序送入射频模块nRF9E5,Preamble和CRC由nRF9E5自动加载。接收模块时，nRF9E5先接收一数据包，分别验证Preamble、Add和CRC正确后，再将Payload数据送入微控制器处理；当接收机微处理器判断Payload中的Payload中的Jid和本机识别码号一致时，继续处理后继数据，否则放弃该数据包。要实现上述数据通讯功能，需进行nRF9E5初始化配置和用户程序设计。nRF9E5子系统初始化配置：在nRF9E5模块中，特殊寄存器RF-Register包含10个字节，其配置字内容可决定射频模块nRF9E5的工作特性，表1列出本设计中特殊寄存器RF-Register需要配置的基本参数（文中未述及的参选用默认值）。表2 RF-Register寄存器部分字节配置说明名 称设定值（二进制）说 明CH-NO0 0111 0101载波频率为868.2MHzHRFEQ-PLL1设定PLL工作模式PA-PWR11输出功率为10dBmRX-PW001接收地址字长为1byteRX-PW0010 0000接收有效字节长度8bytesTX-PW0010 0000发射有效字节长度8bytesPX-ADDRESS1110 0111接收地址名0xE7hUP-CLK-EN0外部时钟禁止XOF011晶体振荡器16MHz频率CRC-EN1使能CRC校验功能CRC-MODE0使用8位CRC校验码系统通讯时，各模块处于正常接收状态：收发使能位TRX-CE=1且方式选择位TX-EN=0。在运行过程中，可由用户编程修改TX-EN=1使各字节工作于发射状态。本系统设定CMS和所有RTN的地址ADD均为0xE7h，这样，系统内CMS和所有RTN之间可以互相通讯，从而避免了其它系统的干扰。各节点识别码长度根据网络节点级数和容量配置，继承关系分配地址；通讯时，通过对目的机代码Mid和接收机代码Jid的比较和识别，不断修改接收机代码Jid，直至Jid=Mid为止，实现节点间的自动双向寻址。4.3微处理器用户程序该系统的处理器用户程序包括CMS用户程序和RTN用户程序，而它们又分别包括主程序和中断子程序两部分。4.3.1 CMS用户程序1.CMS主程序（1）当Flagi=1时，CMS对接收到的数据进行存储和排序记录，输出端P0.3=1；最后将Flagi清0。（2）当Sleep=1时，由CMS发送命令字(X=1)到指定节点，最后将Sleep清0。此时，Mid为目的机识别码，Yid=0x000h，接收机识别码Jid可由CPU根据Mid高四位自动产生。2.CMS中断子程序（1）串行通信口接收计算机命令信号，置Sleep=1。中断优先级为最高。（2）RD1=1时中断CPU，接收某节点RTNi信号，置标志字Flagi=1。中断优无级为次高。（3）用定时器2监控各节点通讯记录：若在定时器2的一个定时周期T2内判断出某节点一直没有发送信号，则会默认相应弃权信息，其中，T2为系统中各节点和CMS通讯一次的最大迟滞时间，中断优先级为次低。（4）定时器1定时中断CPU，将内存数据送上位计算机显示处理，中断优先级为最低。4.3.2 RTN用户程序1.RTN主程序当Flagi=1时，CPU对Payload作如下处理后，最后将Flagi清0。 （1）若接收的数据包中，Mid=0x000h,Yid为RTNj识别码，则数据来自下级节点RTNj，需净数据继续向CMS方向转发。在转发数据包中，Jid内容由CPU对本机识别码的四位识别位清0获得，其它数据不变。（2）若接收的数据包中，Mid为下级节点识别码，Yid=0x000h，则数据来自CMS，需将数据继续向下级路径转发。在此转发数据包中，Jid内容由CPU将本机识别码和目的机识别码比较获得。（3）若接收机的数据包中，Mid为本机识别码，判断X=1时执行命令字，作相应处理。2.RTN中断子程序（1）ADC转换结束标志EOC=1时产生中断，提醒CPU将Add、Jid、Mid、Yid、X=0和表决Data依次送入nRF905模块，准备发射。最后将EOC清0，中断优先级为低。（2）在RTNi中，RD1=1时产生中断，CPU读取nRF9E5的数据，若Payload中Jid为本节点识别码，存储数据并置Flagi=1;否则将Payload丢弃，Flagi不变。中断优先级为高。此时，Add=0xFFh,Mid=0x000h,Yid为本机识别码。Jid内容由CPU对本机识别码的四位识别位置0获得。4.4 无线数据传输系统的实现4.4.1 系统硬件图4 .3系统硬件图4.3为无线数传系统中主要接收器的硬件原理图。数据终端的硬件原理与图4.3类似，只不过没有与PC机相接的串口部分，并且GPIO口和A/D转换口号相应的数据输入端相连，如温度传感器和中断信号等。ANT1和ANT2为天线连接引脚，可采用PCB环形差分天线，晶振工作频率为16MHz。25AA320为EEPROM，在nRF9E5上电后，系统根据引导程序，把25AA320中和程序代码拷贝到nRF9E5的4KB RAM中。LM1117为电源管理模块，把5V电平转化为nRF9E5可用的3.3V。MAX3232CSE为nRF9E5串口与PC串口间通信的电平转换芯片。由图4.3可知，用nRF9E5进行无线数据传输系统设计非常方便。 图4.4 表决器按键电路如图4.4所示，nRF9E5芯片的P1.0口，P1.1口，P1.2口，（P1.0口 表示同意，P1.1口表示不同意，P1.2口表示弃权），分别与+5.0V电压相连。