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nRF905無線通信系統設計論文

物聯網技術是當前信息領域中研究的熱點,無線傳感器網絡作為物聯網領域中一個重要的技術組成,可以實現特殊環境連續不斷地進行數據采集、事件檢測、事件標識、位置監測和節點控制,無線通信模塊的這些特性使得無線傳感器網絡的應用前景非常廣闊,能夠廣泛應用于環境監
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  物聯網技術是當前信息領域中研究的熱點,無線傳感器網絡作為物聯網領域中一個重要的技術組成,可以實現特殊環境連續不斷地進行數據采集、事件檢測、事件標識、位置監測和節點控制,無線通信模塊的這些特性使得無線傳感器網絡的應用前景非常廣闊,能夠廣泛應用于環境監測和預報、智能家居、建筑物狀態監控、城市交通、大型車間和倉庫管理,以及機場、大型工業園區的安全監測等領域。隨著無線傳感器網絡的深人研究和廣泛應用,無線傳感器網絡逐漸深入到人類生活的各個領域而受到國內外研究人員的重視。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。該系統適用于低功耗、短距離、小數據量的點對點無線數據傳輸和交換應用。

  1系統總體設計

  本文設計無線通訊模塊是由數據發送模塊和數據接收模塊兩個完全相同的節點模塊構成,數據接收和發送模塊都選用Atmega16單片機作為主控制器,由單片機控制射頻芯片nRF905實現無線數據的收發。數據發送節點的Atmega16單片機采集上位機或數據采集模塊的數字信號,經處理器處理后傳送給節點內nRF905無線通信模塊,由無線通信模塊經調制和功率放大后將數據發送出去。數據接收節點通過節點內的nRF905無線通信模塊接收來自數據發送節點的數據,解調后傳給節點的主控制器———Atmega16單片機,單片機經過判斷和處理,發送相應的處理命令,完成一次數據通信任務。

  2系統硬件設計

  無線通信節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單片機最小系統設計

  本系統選用價格便宜的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行時間,ATmega16的數據吞吐率高達1MIPS/MHz,從而可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。該款單片機內部集成了A/D轉換模塊,無需專用的模/數轉換器;同時與傳統的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片內程序存儲器,1kB的隨機存取數據存儲器(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位可編程定時計數器,2個全雙工串行通信口,片內晶振及時鐘電路等功能,完全滿足本系統需求。

  2.2無線射頻收發器

  本文設計的無線通信模塊采用挪威Nordic公司的nRF905單片射頻收發器,該模塊采用先進的VLSIShockBurst技術,通過將與RF協議有關的高速信號處理放到芯片內,通過一個SPI接口實現與應用微控制器的通信,并編程配置接口的數據通信速率。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、低功耗等優點。系統硬件電路是以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模塊的狀態接口、模式接口和SPI接口。nRF905的發送流程:

  (1)若單片機需要發送數據時,通過nRF905模塊的SPI接口,按時序把數據發送目標地址和數據傳送給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發送模式;

  (3)nRF905的ShockBurstTM發送模式的工作過程:配置nRF905的射頻寄存器自動開啟;對發送數據進行數據打包,在數據包中增加字頭和CRC校驗碼;進行數據包的發送;若數據發送完畢,DR引腳置1;TRX_CE引腳置1,準備接收數據;

  (4)AUTO_RETRAN被置高,nRF905重復(3)步驟的數據發送,直到數字輸入引腳TRX_CE被置0;

  (5)當數字輸入引腳TRX_CE被置0,nRF905發送過程完成,自動進入空閑模式。另外,nRF905的ShockBurstTM工作模式規定,進行數據發送過程后,將延遲處理TX_EN和TRX_CE的狀態改變情況,數據發送過程完畢后才進行處理。只有當前一個數據包被發送完畢,nRF905才能接受下一個發送數據包的任務。

  2.3RS232接口電路設計

  無線網絡節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不統一,所以需對電平信號進行轉換才能實現二者之間的通信,選用MAX3232芯片實現電平信號的轉換。

  結束語

  本文設計基于Atmega16單片機的無線通信系統,充分利用射頻無線芯片nRF905的小尺寸、低功耗、低電壓及高速數據傳輸性能,通過設計合理的通信協議,提高了系統通信的可靠性。此外,系統可通過在發送/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、工業數據采集、生物信號采集和無線遙控等其它一些無線通信領域,以實現無線數據的雙向傳輸,具有較好的市場應用價值。

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