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nRF905無線通信系統(tǒng)設計論文
物聯(lián)網(wǎng)技術是當前信息領域中研究的熱點，無線傳感器網(wǎng)絡作為物聯(lián)網(wǎng)領域中一個重要的技術組成，可以實現(xiàn)特殊環(huán)境連續(xù)不斷地進行數(shù)據(jù)采集、事件檢測、事件標識、位置監(jiān)測和節(jié)點控制，無線通信模塊的這些特性使得無線傳感器網(wǎng)絡的應用前景非常廣闊，能夠廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測和預報、智能家居、建筑物狀態(tài)監(jiān)控、城市交通、大型車間和倉庫管理，以及機場、大型工業(yè)園區(qū)的安全監(jiān)測等領域。隨著無線傳感器網(wǎng)絡的深人研究和廣泛應用，無線傳感器網(wǎng)絡逐漸深入到人類生活的各個領域而受到國內(nèi)外研究人員的重視。本文設計了一種基于Atmega16單片機和nRF905射頻芯片的無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于低功耗、短距離、小數(shù)據(jù)量的點對點無線數(shù)據(jù)傳輸和交換應用。
1系統(tǒng)總體設計
本文設計無線通訊模塊是由數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊兩個完全相同的節(jié)點模塊構成，數(shù)據(jù)接收和發(fā)送模塊都選用Atmega16單片機作為主控制器，由單片機控制射頻芯片nRF905實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的收發(fā)。數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點的Atmega16單片機采集上位機或數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)字信號，經(jīng)處理器處理后傳送給節(jié)點內(nèi)nRF905無線通信模塊，由無線通信模塊經(jīng)調(diào)制和功率放大后將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)接收節(jié)點通過節(jié)點內(nèi)的nRF905無線通信模塊接收來自數(shù)據(jù)發(fā)送節(jié)點的數(shù)據(jù)，解調(diào)后傳給節(jié)點的主控制器———Atmega16單片機，單片機經(jīng)過判斷和處理，發(fā)送相應的處理命令，完成一次數(shù)據(jù)通信任務。
2系統(tǒng)硬件設計
無線通信節(jié)點模塊的主控制器選AVR系列的Atmega16單片機，其外圍電路有：RS232電平轉換電路、USB接口電路、1602液晶顯示模塊、nRF905無線模塊以及蜂鳴器提示音電路等。
2.1單片機最小系統(tǒng)設計
本系統(tǒng)選用價格便宜的Atmega16單片機作為主控制器。該系列單片機是基于增強的AVRRISC結構的低功耗8位CMOS微控制器，以低功耗特性被廣泛用于各個領域。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。該款單片機內(nèi)部集成了A/D轉換模塊，無需專用的模/數(shù)轉換器；同時與傳統(tǒng)的8051單片機系列相比增加兩個可編程的串行USART接口。該單片機具有40個引腳，16kBFlash片內(nèi)程序存儲器，1kB的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個外部雙向輸入/輸出（I/O）口，一個6向量2級中斷結構，3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，片內(nèi)晶振及時鐘電路等功能，完全滿足本系統(tǒng)需求。
2.2無線射頻收發(fā)器
本文設計的無線通信模塊采用挪威Nordic公司的nRF905單片射頻收發(fā)器，該模塊采用先進的VLSIShockBurst技術，通過將與RF協(xié)議有關的高速信號處理放到芯片內(nèi)，通過一個SPI接口實現(xiàn)與應用微控制器的通信，并編程配置接口的數(shù)據(jù)通信速率。nRF905具有ShockBurstRX和ShockBurstTX等多種工作模式，分別是接收模式、發(fā)送模式、關機模式和空閑模式；nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN、PWR_UP三個引腳決定，可有效降低應用的平均電流消耗和對MCU的存儲器需求，具有單片、低電壓、低功耗等優(yōu)點。系統(tǒng)硬件電路是以Atmega16單片機和nRF905模塊為核心元件，由單片機的I/O端口分別控制nRF905模塊的狀態(tài)接口、模式接口和SPI接口。nRF905的發(fā)送流程：
（1）若單片機需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過nRF905模塊的SPI接口，按時序把數(shù)據(jù)發(fā)送目標地址和數(shù)據(jù)傳送給nRF905，可通過器件初始化配置時設定SPI接口的速率；
（2）單片機設置TRX_CE和TX_EN為1，配置nRF905的工作模式為ShockBurstTM發(fā)送模式；
（3）nRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式的工作過程：配置nRF905的射頻寄存器自動開啟；對發(fā)送數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)打包，在數(shù)據(jù)包中增加字頭和CRC校驗碼；進行數(shù)據(jù)包的發(fā)送；若數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，DR引腳置1；TRX_CE引腳置1，準備接收數(shù)據(jù)；
（4）AUTO_RETRAN被置高，nRF905重復（3）步驟的數(shù)據(jù)發(fā)送，直到數(shù)字輸入引腳TRX_CE被置0；
（5）當數(shù)字輸入引腳TRX_CE被置0，nRF905發(fā)送過程完成，自動進入空閑模式。另外，nRF905的ShockBurstTM工作模式規(guī)定，進行數(shù)據(jù)發(fā)送過程后，將延遲處理TX_EN和TRX_CE的狀態(tài)改變情況，數(shù)據(jù)發(fā)送過程完畢后才進行處理。只有當前一個數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，nRF905才能接受下一個發(fā)送數(shù)據(jù)包的任務。
2.3RS232接口電路設計
無線網(wǎng)絡節(jié)點通過串行通信接口與PC機通信。本文選用RS232串行通信接口，采用的是LVTTL電平標準，即2V～3.3V表示邏輯1，0V～0.4V表示邏輯0。由于兩者的邏輯狀態(tài)不統(tǒng)一，所以需對電平信號進行轉換才能實現(xiàn)二者之間的通信，選用MAX3232芯片實現(xiàn)電平信號的轉換。
結束語
本文設計基于Atmega16單片機的無線通信系統(tǒng)，充分利用射頻無線芯片nRF905的小尺寸、低功耗、低電壓及高速數(shù)據(jù)傳輸性能，通過設計合理的通信協(xié)議,提高了系統(tǒng)通信的可靠性。此外，系統(tǒng)可通過在發(fā)送/接收模塊中增加功率放大模塊提高無線通信距離，并保證系統(tǒng)工作的安全性和可靠性，便于投入實際應用，可應用到短距離無線傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、生物信號采集和無線遙控等其它一些無線通信領域，以實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的雙向傳輸，具有較好的市場應用價值。
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