基于nRF401的通用智能无线收发装置

1、基于nrf401的通用智能无线收发装置谢锦沐，吴功平，蒋锡健，祝鲁金（武汉大学 动力与机械学院 湖北 武汉 430072）目前，在各种仪器仪表数据采集系统，遥控测控系统中都需要嵌入无线数据传输的装置，本文介绍了一种通过单片机w77e58对无线收发芯片nrf401进行智能控制的通用无线收发装置的设计方法，硬件电路的设计分为两部分：无线射频模块的设计和控制模块的设计。该装置可以通过跳线的装置选择串口为rs232标准或ttl电平标准，通过w77e58控制可以实现双信道的切换，并可实现数据流控。1 无线射频模块的设计在本设计中，无线射频模块采用挪威nordic公司推出的nrf401无线收发芯片。该芯片

2、使用433mhz ism频段，是真正的单片uhf无线收发一体芯片，他在一个20脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、pll合成、fsk调制、fsk解调、多频道切换等，是目前集成度最高的无线数传产品1。无线射频模块采用在板差分环形天线，天线端口的负载阻抗为380，其电路原理见图1，图中列出了各外围元件的参数，其中j1口为无线射频模块与控制模块的接口。硬件电路的设计要点如下：（1）射频电路对于电源噪声相当敏感，必须采用星形布线的方法使数字部分和rf部分有各自的电源线路，并且应在靠近集成电路电源引脚处分别去耦2。（2）外接vco电感应选用高频电感，q45，精度为2，本设计采用深圳顺百科技有限公司的lq

3、w18an22ng00，电感的精度对无线通信的距离有较大的影响，也可使用精度为5的，但通信距离会大大减小。vco电感连线应与其他控制线保持一定的距离，应避免数字控制线从电感引脚之间经过，并且应该使vco电感元件的中心距离nrf401的vco1，vco2引脚焊盘的中心5.4mm左右，电感元件的选择与布局很重要，是设计成败的关键点。（3）在电路板的正反两面均使用大面积铺铜作为接地面，使所有的器件容易去耦，两面的铺铜应使用多个过孔相连，所有对地线层的连接必须尽量短，接地过孔应放置在非常靠近元件的焊盘处2。（4）天线的设计使用pcb板的环形天线，尺寸为35mm×20mm，天线增益为11db，

4、天线阻抗为380，天线应位于pcb板的顶部，天线部分不要铺铜，有关环形天线的设计可参考nordic公司的技术文档nan44003和nan40005。（5）如果pcb板的vco电感设计合理，当模块处于接收状态时，nrf401的第4管脚电压为1.1±0.2v。2 控制模块的设计控制模块负责对无线射频模块状态切换及信道切换的控制，选用华邦单片机w77e58，控制模块的设计分为硬件电路的设计和软件的设计两部分。2.1 硬件电路的设计w77e58速度高，工作频率可扩展到40mhz，使用与8051/52同样的晶振运行时间比8052快2.5倍3，且其片内自带两个uart串口，串口0用于与外部的串口

5、设备通信，串口1用于与无线收发模块通信，其中j6口为控制模块与无线射频模块的接口，j2口为控制模块与外部串口设备通信的接口，可以采用简单的三线通信方式，也可以加上流控信号cts，通过ttl电平对reset管脚的控制可以实现对智能无线数传模块的复位。j2口与外部串口设备可以以rs232或ttl电平的形式进行通信，通信形式的选择通过对接口j3、j4、j5的跳线设置，max232及外围的电容元件均可采用贴片器件，以缩小pcb板空间。通过p2.5，p2.6，p2.7分别对无线射频模块的待机状态与工作状态的切换，收发状态的切换、信道的切换进行控制。2.2 软件的设计w77e58片内自带有两个串口，其中串

6、口0可以使用定时器t1或定时器t2作为波特率发生器；串口1只能使用定时器t1作为其波特率发生器4。本设计中采用t2做为串口0的波特率发生器，采用t1做为串口1的波特率发生器，两个串口均工作在串口模式1，波特率为9600b/s，串口0占用了第4号中断，使用scon，sbuf做为其串口控制寄存器和串口数据缓冲器；串口1则占用了第7号中断，scon1，sbuf1做为其串口控制寄存器和串口数据缓冲器。对串口的初始化函数为init_serialport()，函数定义如下：在无线通信的过程中，由于外部环境的干扰，通常误码率比较高，即使发射方不发送数据，接收方仍会经常接收到由于外部干扰而产生的乱数据，为了在

7、接收的过程中区分接收到的数据是否为有效数据，必须有一定的通信协议：（1）两个串口的数据发送均采用查询方式，数据接收均使用中断方式；（2）数据帧包括帧首和数据两部分，帧首使用双字节0x55aa，数据部分为1b，即每帧占用3b，帧首和数据部分均采用十六进制ascii码传送，确保协议的透明性；（3）接收方如果接收到0x55 0xaa字节，则说明接收到有效的数据帧，否则将该帧丢弃。如果硬件电路设计合理，元器件的选择恰当，再加上以上简单的通信协议，则可将误码率控制在0.2以下。单片机上电后，首先对系统和串口进行初始化，然后单片机进入待机模式，直到两个串口中的一个发生中断硬转为工作模式，处理中断程序。主要

8、的程序代码如下：3 硬件电路的测试本设计中将控制模块和无线射频模式分开设计，控制模块通过一单排7脚的接口控制射频模块，测试的步骤如下：（1）将控制模块和无线射频模块焊好，检查确认无虚焊、粘焊；（2）先对控制模块上电进行测试，主要是测试控制模块的串口0和串口1能否相互收发数据，测试方法是通过板上跳线将串口0设置为rs232标准，由于板上的串口1只有ttl电平标准，必须外加电平转换电路将其转换为rs232标准，然后将两个串口分别接到计算机的两个串口上，将以上的程序写到w77e58上，然后用串口测试软件测试，如果串口0，1能相互收发数据，便可开始对无线射频模块进行测试；（3）将无线射频模块的j1口与控制模块的j6口焊接起来，上电进行测试，按照以上的程序，上电时处于接收状态，可对txen，pwup，cs等管脚进行测试，看是否与程序吻合；（4）确认射频模块上电处于接收状态后，可测试nrf401地第4管脚是否为1.1v左右，如果是，则说明vco电感设计合理，否则要重新设计pcb板，此外，nrf401在没有数据接收时,仍会自动从dout发送随机数据，使用万用表