【无线射频通信】-基于nRF401 的无线通讯系统及应用

----宋停云与您分享--------宋停云与您分享----基于nRF401的无线通讯系统及应用1.引言

在仪器仪表及测控技术中，无线数据通信以其节约传输线、使用便利等优点被广泛关注。中短距离（小于500米）的无线通信在自动测试系统、无线抄表、计算机遥测遥控系统、车辆监控系统和小区管理等实际应用中有广泛的市场。在众多的无线收发芯片中，nRF401以其成本低、牢靠性高、外围设计简洁广受欢迎，然而由于通信空间的简单性，无线通讯系统很简单收到误码，即使在发送端不发送数据的状况下，接收端也仍旧会接收到大量的干扰数据。在一个中等规模的系统设计中，CPU要进行多种操作，如外部存储器的访问，传感器数据的处理等，因此无线通讯干扰信息较多时，特殊是在中断通讯模式下，频繁的中断将严峻影响主程序的运行，另外由于对nRF401的操作除了掌握输入输出外，还需要对nRF401的收发状态、运行模式切换，因此对于一个总线结构的系统（如485通讯模式），无线通讯部分也作为一个ID模块时，传统的设计处理遇到了困难。因此需要设置一个中间处理环节，既能有效过滤信息又不影响通讯速率。

为解决上述问题，本设计基于nRF401作为无线收发芯片，使用两片AT89C2051作为掌握芯片，设计出一套无线通讯系统。其中一片AT89C2051（定义为掌握芯片A）掌握nRF401，AT89C2051的IO接口与串口协作掌握nRF401实现异步通讯；另一片AT89C2051（定义为掌握芯片B）既能满意总线串口的要求，又能解决掌握芯片A由于频繁串行中断而不能准时响应总线的问题，起到分担当务、隔离干扰、串口扩展的作用。采纳两片2051单片机设计方法，与采纳一片双串口单片机设计相比，能降低成本、提高芯片利用率、隔离干扰。实践表明该系统结构简洁、抗干扰力量强，能很好解决短距离系统之间的无线通信问题。

2.系统硬件设计

系统硬件设计包括无线通讯模块和通讯掌握部分。

2.1基于nRF401的无线通讯模块设计

nRF401是Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片，工作在433MHzISM频段。在接收模式中，nRF401被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制的数字信号被低噪声放大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器。解调后变换成数字信号输出(DOUT端)。在放射模式中，数字信号经DIN端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入功率放大器射频输出。在本系统设计中，为了避开干扰，将基于nRF401的无线收发部分做在一块单独的PCB板上，引出通讯掌握接口(J1)，组成的无线收发模块。

2.2基于AT89C2051的掌握系统设计

掌握部分包括两片AT89C2051，掌握芯片A负责处理无线收发模块数据信息，并与掌握芯片B通过P1口以中断1方式进行数据沟通。掌握芯片B负责处理来自串口的信息，并与掌握芯片A进行数据沟通。由于两片AT89C2051以中断方式并行传输模式传输数据，其数据交换时间远小于单片机串口通讯时间，因此不会影响整个系统的半双工通讯时间。为了满意各种要求，串口通过跳线被设计成232模式、485模式和UART模式。

3.系统软件设计

3.1通讯协议

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，即使放射方不发送数据，接收方仍会常常接收到由于外部干扰而产生的杂乱数据，为了在接收的过程中区分接收到的数据是否为有效数据，必需有肯定的通信协议。在传输数据量不大时，为有效处理信息，本系统设计以下通讯协议：

1)无线收发数据帧由3个字节组成，即8bit的标识位(0xab)，8bit的数据位，8bit的校验位。

2)无线收发数据帧格式

byte1高四位为1010(0xa),低四位为数据的高四位

Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0

1010D7D6D5D4

Byte2高四位为1011(0xb),低四位为数据的低四位

Bit7Bit6Bit5Bit4Bit3Bit2Bit1Bit0

1011D3D2D1D0

Byte3为byte1与byte2的异或值。

3内部单片机之间传输的数据不包括标识字节和校验字节。

4系统与外部串行通讯时,采纳另外的通讯协议(如ModBus协议)。

5外部输入采纳中断方式，内部循环采纳查询方式。

6程序设计中，外部中断优先，以准时接收外部数据信息。

7执行某一中断时，不响应其他中断。

8无线通讯模块平常处于接收状态。

3.2程序流程

对于掌握芯片A，接收无线收发模块数据为串行中断方式，接收掌握芯片B数据为外中断1方式。主程序运行过程中始终处于检测系统状态字循环方式，当发送缓冲区有数据（来自掌握芯片B）时，主程序调用串行发送程序将数据经串口、无线收发模块发送出去；当接收缓冲区有数据（来自无线收发模块）时，主程序调用并行发送程序将数据经P1口发送到掌握芯片B。在设计应将发送缓冲区和接收缓冲区设置为多字节，用来积累不能准时转移的数据。掌握芯片B的程序流程与掌握芯片A流程相像，只是在接收串口数据时，掌握芯片A程序对数据帧的校验方式不同。

图4为程序流程图，其中UART()定义为串行中断服务程序；Int1()定义为外部中断1中断服务程序；TranByte定义为发送缓存区；RecByte定义为接收缓存区；Recsum定义为接收缓存区计数；Transum定义为发送缓存区计数；delay定义为延时子程序；flag定义为系统状态掌握字，其中flag.7定义为接收缓存区状态标志；flag.6定义为发送缓存区状态标志。

4.在自主移动机器人系统中的应用

在自主移动机器人系统中，牢靠稳定的通讯系统对机器人与上位机、机器人与机器人之间的信息交换是非常重要的。基于nRF401的无线通讯系统可以作为中小型自主移动机器人的无线通讯部分，在应用中，将该系统通过跳线设置为RS232模式与计算机串口相连，另一套系统设置为UART模式与机器人其它部分组成多机通讯系统，这样便构建了一个机器人与上位机的一套无线通讯系统。

5.结论

本文给出了一种基于nRF401的无线通讯系统设计，该系统具有硬件电路简洁、成本低廉、编程便利、牢靠性高的特点。可以便利地应用于各种总线结构的系统中，作为其无线通讯部分，实现无