1、 模塊總體結(jié)構(gòu)

基于nRF401無線數(shù)據(jù)傳輸器件的數(shù)傳模塊總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由微控制器和藍牙芯片及其相應(yīng)的外圍電路組成，能自動完成波特率識別，并進行數(shù)據(jù)的編碼處理，給用戶提供了一個透明的數(shù)據(jù)接口。微控制器選用Atmel公司推出的可在線編程的單片機AT89S51，便于以后軟件的升級。通過對發(fā)送數(shù)據(jù)是否需要曼徹斯特編碼、所需外圍元件的數(shù)量、功耗及發(fā)射功率等方面的因素綜合比較，選用nRF40l作為無線數(shù)傳器件。

nRF401是單片無線收發(fā)器件，采用藍牙核心技術(shù)設(shè)計，內(nèi)部集成高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等諸多功能和外圍部件協(xié)議，是目前集成度最高的無線數(shù)傳產(chǎn)品，也是唯一可以直接連接微控制器串口進行異步數(shù)據(jù)傳輸且無需曼徹斯特編碼的無線收發(fā)器。nRF401發(fā)射功率最大為10 mW，工作電壓為2.7 V～5 V，發(fā)射電流為8 mA～30 mA，接收電流約10 mA，待機電流為8 μA，靈敏度為-105 dBm，采用20引腳8 mmx7 mm的SOIC封裝。所需外部元件很少，僅外接一個晶體和幾只阻容、電感元件，無需調(diào)試，傳輸速率最高達19.2 kb/s，工作頻段為433/434 MHz，有兩個信道，調(diào)制方式為FSK。

nRF401有5個端口與微控制器相關(guān)：DIN和DOUT用于異步串行通信，DIN的數(shù)據(jù)方向為微控制器到nRF40l，DOUT相反；CS選擇工作頻段，CS=0時頻段為433.92 MHz，CS=1時為434.33 MHz，在該模塊中將CS引腳引出，方便用戶控制，在一個頻段無法工作時，可以設(shè)置為另一個工作頻段，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；PWR_UP用于節(jié)電控制。PWR_UP=0時為掉電（節(jié)電）模式，PWR_UP=1時為上電（工作）模式，在該模塊中同樣將其引出，在不需要無線發(fā)射和接收時，用戶可將器件設(shè)置為節(jié)電模式以降低系統(tǒng)的功耗；TXEN選擇發(fā)射或接收狀態(tài)，TXEN=0時為接收，TXEN=1時為發(fā)送。

PCB布局和電源去耦設(shè)計對于RF射頻電路獲得較好的性能是必要的，電路板采用1.6mm厚FR4板材的兩層PCB，底層覆銅面，并在元件層空白區(qū)覆銅，多打通孔連接上下層，銅面與地線相連，天線下底層不覆銅，VSS直接與銅層連接，并保證關(guān)鍵元件充分接地。所有開關(guān)數(shù)字信號和控制信號都不能經(jīng)過PLL環(huán)路濾波器元件和VCO電感附近。直流供電在離VDD引腳盡可能近的地方用高性能的電容去耦，去耦使用一只小電容（0.01μF）和一只大電容（2.2μF）并聯(lián)，避免較長的電源走線。

2 、硬件設(shè)計及軟件實現(xiàn)

2.1 微控制器與nRF401接口設(shè)計

圖2為微控制器ATr89S51與nRF401的接口電

路，nRF401只需10個左右的元件即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，應(yīng)用極其方便。其PSEN為數(shù)據(jù)收發(fā)選擇端，當設(shè)定為發(fā)送模塊時，PSEN接為高電平，同時，DIN引腳與微控制器的TX端相連，微控制器的RXD端作為預(yù)留接口與外部主控單片機的TXD相連：若設(shè)計為接收模塊，則PSEN接低電平，同時，DOUT引腳與微控制器的RX端相連，RXD引腳與外部微控制器的TXD引腳相連。模塊與外部單片機的通訊波特率為自動檢測方式，受nRF401通訊速率的限制。該模塊可以工作在1 200 b/s～19.2 kb/s之間。模塊上預(yù)留ICSP接口，可以系統(tǒng)在線編程。方便程序升級。還同時具有良好的防竊密功能，不易破解。

2.2 串口模擬及波特率自適應(yīng)的實現(xiàn)

對于模塊上的片上主控單片機AT89S51而言，既要控制nRF401完成與外界的數(shù)據(jù)交換。同時自身又必須受控于模塊外部的主控單片機，因此。AT89S51必須能同時與nRF401及片外主控單片機通訊，但AT89S51只有一個UART，無法滿足要求，為解決這一矛盾，通常的方法是擴展一片8251或8250通用同步/異步接收發(fā)器（USART），但需額外占用單片機I/O資源，增加了系統(tǒng)的成本，同時也增大了PCB板的布局面積。本系統(tǒng)則采用單片機普通I/O口模擬串行口，利用該方法還可擴展多個外部串行端口，實現(xiàn)多機通信。

利用普通I/O口模擬串口，必須首先確定串口的通信速率即波特率，在本系統(tǒng)中，該模塊設(shè)計是波特率為1 200 b/s～19.2 kb/s自適應(yīng)式的通信模塊，使自身的波特率隨主控單元的 調(diào)整而自動調(diào)整，系統(tǒng)適應(yīng)性更強，更具智能化，因此首先必須解決好波特率自動檢測與識別的問題。

2.2.1 波特率自動檢測識別的實現(xiàn)

常用的波特率自動檢測方法主要有兩種：

（1）標準波特率窮舉法。

標準法特率窮舉法適用于主機側(cè)的波特率必須在有限的幾個固定數(shù)值之間變化。如300b/s～9.6 kb/s之間的標準值；且從機側(cè)的工作振蕩頻率已知且穩(wěn)定。從機啟動通信程序后，逐個嘗試以不同的波特率接收主機發(fā)出的特定字符，直到能正確接收為止。因此，該方法的運用具有一定的局限性。

（2） 碼元寬度實時檢測法。

該方法是先通過單片機的定時器測量RX引腳上輸人數(shù)據(jù)的碼元寬度，即機器周期的計數(shù)值，之后用軟件計算出波特率發(fā)生寄存器的值。該方法由于適用范圍廣、操作靈活，因而應(yīng)用較為普遍。

本系統(tǒng)首先用碼元寬度實時檢測法確定主機的波特率，之后從機自身進行相應(yīng)設(shè)置。就理論而言，只要能夠測出一個碼元的寬度就能確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?，但在實際測量過程中，為保證測量的準確性，通常采取測量連續(xù)8個碼元寬度的方法。這里采用了較為常用的異步串行通信數(shù)據(jù)格式，即1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、無校驗、1個停止位。發(fā)送時低位數(shù)據(jù)在前，高位在后，因此連續(xù)8個碼元寬度的時間可以通過在主機側(cè)發(fā)0x80H的方式實現(xiàn)，其波形如圖3所示。起始位加7個碼元寬度的低電平，恰好構(gòu)成8個脈寬的低電平。單片機采用串口中斷的方式接收數(shù)據(jù)，當有數(shù)據(jù)到達時，打開定時器，同時不斷查詢接收引腳的狀態(tài)，當RXD變?yōu)楦唠娖胶笸Ｖ褂嫈?shù)，這樣單片機就可以測量出低電平持續(xù)的寬度。

設(shè)主機側(cè)的波特率為BPS，其值未知，則此時連續(xù)8個碼元的寬度計算公式為：

設(shè)模塊內(nèi)AT89S51單片機的工作頻率為fosc，用定時器1方式2常數(shù)自動裝入方式產(chǎn)生波特率，串行口工作在方式1，此時串口的波特率由定時器T1的溢出率和SMOD位同時決定。即：

當T1用作波特率發(fā)生器時，TL1用作計數(shù)器，而自動重裝的值放在TH1內(nèi)，設(shè)初始值為X，則每“256-X”個機器周期，定時器T1就會產(chǎn)生一次溢出。為了避免因溢出而產(chǎn)生不必要的中斷，此時禁止T1中斷。AT89S51內(nèi)部機器周期為振蕩周期的12分頻，因此，定時器T1的溢出周期為：

將式（3）代入式（2）得出此時的波特率為：

設(shè)此時模塊的波特率與主機側(cè)的波特率相等，即：

設(shè)AT89S51內(nèi)部定時器T1測連續(xù)8個碼元計數(shù)值為M，由于是對其內(nèi)部的機器周期計數(shù)，且機器周期是內(nèi)部振蕩周期的12分頻，所以，總數(shù)為M的機器周期代表的實際時間是：

很明顯，式（6）與式（7）應(yīng)相等，因此有如下公式成立：

由上式則可得出，單片機定時器T1初值在波特率自適應(yīng)情況下的計算公式：

由式（9）可以看出，其初值不依賴于單片機的工作頻率，因此，只要單片機的工作頻率相對穩(wěn)定即可，對具體數(shù)值無要求。

另外，需要說明的是，對于串行異步通信而言，通信雙方的波特率不必嚴格相等，只要雙方的差別在一定的范圍之內(nèi)，就可實現(xiàn)準確通信。

2.2.2 軟件模擬串口的實現(xiàn)

當波特率確定以后，即可用軟件模擬實現(xiàn)串行口。對單片機而言，要實現(xiàn)模擬串口的關(guān)鍵是必須解決好時序問題，不能造成通信過程中的數(shù)據(jù)丟失，為此，采用單片機的外部中斷0口的下降沿觸發(fā)功能，模擬串口數(shù)據(jù)接收線RXD，P1.2口模擬串口數(shù)據(jù)發(fā)送線TXD，定時器0以確定中斷方式對接收碼元采樣或發(fā)送數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)一個軟件的串口。

對于軟件模擬串口而言，關(guān)鍵是必須解決好時序問題。本系統(tǒng)充分利用了nRF40l器件半雙工通信的特點，即數(shù)據(jù)發(fā)送和接收不同時進行，成功實現(xiàn)了一個軟件串行口。串行數(shù)據(jù)發(fā)送的實現(xiàn)相對較為簡單，只需利用定時器讓發(fā)送出去的碼元維持一定的時間寬度即可，實現(xiàn)異步串行接收的關(guān)鍵是起始位的檢測和信息位的準確提取。任何時候數(shù)據(jù)傳送都可能發(fā)生，故要求接收方必須能夠及時準確地接收數(shù)據(jù)，而通信過程中沒有同步信號，因此，串行數(shù)據(jù)的提取相對而言具有一定的難度。所以，文中采用AT89S51的外部中斷0口模擬RXD，并設(shè)置其中斷方式為邊沿觸發(fā)，平常保持為高電平，起始位為低電平，因此，當有數(shù)據(jù)到達時產(chǎn)生中斷，根據(jù)波特率設(shè)置的定時時間間隔進行數(shù)據(jù)采樣，即可實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的接收。

3結(jié)束語

本文設(shè)計的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊已成功運用于“磁柵式浮動檢測儀”項目中，經(jīng)實踐檢驗，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有一定的工程實用價值。

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