基于单片机控制的射频通信基站的设计与实现

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现代通信技术的发展，数据传输是一个重要的研究内容。目前有线通信技术始终是市场的主流，这也是在空间区域不能自由布线的最大瓶颈，而无线通信技术是该问题一个很好的通信方案。以成品的无线通信芯片作为通信媒介更能解决基础硬件搭建调试及后期维护的难度。本文采用同类产品中性价比较高的芯片NRF24L01，配合简单外围电路和降低芯片，实现对其控制，很好地解决了这一问题。
         
        本文的控制部件选用AT89C51型单片机。由于这种芯片只有SPI 通信接口，而目前常用的单片机都没有这种接口，因此需要对该芯片的通信时序进行模拟，所以在控制器里编程时要严格按照芯片工作时序进行。
         
        1 系统硬件组成
        NRF24L01芯片是具有2.4GHz内嵌基带通信协议引擎功能的收发芯片。通过SPI接口对芯片内部寄存器映射操作，可以使其在空中的传输速度最大达到2 Mb/ s。
         
        该芯片主要特点包括GFSK调制技术：126RF频道满足多点通信需要1~ 2 Mb/ s空中数据传输速率内置硬件CRC检错和点对点通信地址控制：发送方电源可以通过编程输出0 dBm，-6dBm，-12dBm，-18dBm：芯片可以通过软件设置地址，确保通过地址认证双方才能通信： 接收方采用集成通道过滤器，可编程的增益设置：主机接口采用4根SPI硬件接口线，最大8Mb/ s传输速率，3个32字节的TX与RX的FIFO寄存器，5V容抗输入。
         
        该芯片引脚功能如图1所示，引脚1为CE数字信号输入，引脚2为CSN数字信号输入，引脚3为SCK数字信号输入，引脚4为MOSI数字信号输入，引脚5为MISO数字信号输出，引脚6 为IRQ数字信号输，引脚7，15， 18为VDD电源，引脚8，14，17为VSS电源，引脚9为XC2模拟输出，引脚10为XC1模拟输入，引脚11为VDD_PA电源输出，引脚12为ANT1射频，引脚13为ANT2射频，引脚16为IREF模拟输入，引脚19为DVDD电源，引脚20为VSS 电源。
         
        在硬件搭建时特别要注意在SPI接口与51单片机的P0引脚相接时需要接10kΩ的上拉电阻，其余的接口不需要。VCC引脚接入电压范围为1. 9~ 3. 6 V，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块，推荐电压3.3V。因为这样可以直接和NRF24L01模块的I/ O口线连接。如果是其他系列的单片机，其电源是5V，单片机I/O口输出电流如果超过10 mA时需要串联电阻分压，否则容易烧毁模块。例如AVR系列单片机电源是5V，需串接2 kΩ的电阻。
         

       
        图1 NRF2401 芯片引脚功能图。

         
        1.2 NRF24L01芯片构成的通信模块电路设计
        NRF24L01芯片通信模块电路核心器件NRF24L01配合网络晶振、解耦电容、偏极电阻一起工作构造稳定射频通信模块。该芯片是贴片结构，模块占用空间少，如图2所示。
         

       
        图2由NRF24L01 芯片构成的通信模块电路图。

         
        1.3电源电路
        电源电路如图3 所示， B1是9V蓄电池或者锂电池， 能够反复充电。C1，C2,C3，C4 都是滤波电容， 起到一次与二次滤波作用。D1，D2是稳压二极管，使输出端的电压稳定在理想的水平电压。芯片7805是三端稳压集成电路芯片，具有正电压输出。其电路内部还有过流、过热及调整管等保护电路，最终目的把9V电源转变成稳定5V输出，为后续设备供电。
         
        1.4系统通信电路设计
        系统通信电路如图4所示。本电路中应用单片机AT89C51作为控制芯片，对NRF24L01主通信模块的接口时序模拟和对数据的发送与接收进行处理。
         

       
        图3电源电路图。

         

       
        图4系统通信电路图。

         
        1.5 与PC机通讯电路设计
        如果单片机通信电路与单片机通信电路通信，则两个硬件电路和图4相同，只是在软件设计时需在每个通信端设定不同的通信地址，以辨认每个通信端口。若是单片机通信电路与PC机或者具有COM口的设备电路通信，则需要一个转接电路，其硬件电路如图5所示。

       
        图5 SPI 接口与MAX232 通信硬件电路图。

         
        在图5所示的电路中，单片机左侧是一块MAX232芯片，其作用是将PC机中的232电平与单片机的TTL电平匹配。最左侧是9芯母接头，在使用时可接在计算机COM口上与计算机通信。单片机右侧接一块射频通信模块。由于此块单片机同样没有SPI接口，所以需要用普通接口软件模拟SPI接口，其编程要严格按SPI端口的通信逻辑时序。
         
        2 单片机控制实现算法
        通信芯片可以工作在四种模式下，即: 配置模式、空闲模式、关机模式和收发模式。工作模式由PWR_U Pregister、PRIM_RX register 和CE三个寄存器共同决定。在工作模式的收发模式中推荐使用EnhancedSho ckBurst 收发模式，因为在这种工作模式下，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高。两种算法流程图如图6所示。
         

       
        图6 发射流程与接收流程。

         
        3 结语
        (1) 提出基于射频的无线通信技术方案，并且按照该方案搭建硬件电路。
        (2) 设计单片机控制算法，在PC机中编好上位机软件，执行机构能迅速执行预定结果， 反应时间小于1 ms。
        (3) 在执行机构遇到障碍时，能返回准确命令，使上位机捕捉到相应信息，直接反映双向通信效果好。
        (4) 系统稳定可靠，数据传输丢失率很小，低于0.01%。
        (5) 芯片互换性好，可根据不同传输距离选择不同芯片，软件不需改动。