无线遥控设计.pdf

●FSK 调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；
●采用 PLL 频率合成技术，频率稳定性极好；
●灵敏度高，达到-105dBm（nRF401）；
●功耗小，接收状态 250 A，待机状态仅为 8 A（nRF401）；
●最大发射功率达 +10dBm ；
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●低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备的要求；
接口芯片采用美信公司的 RS232 转换芯片 MAX3316，完成单片机和计算机 RS232 接口的电平转换及 数据发送、接收、请求、清除功能。在 nRF401 芯片使用时，设定好工作频率，进入正常工作状态后，通 过单片机根据需要进行收发转换控制，发送／接收数据或进行状态转换。在设计程序时，要注意各状态转 换的时延。nRF401 的通讯速率最高为 20kbit/s，发送数据之前需将电路置于发射模式；接收模式转换为发 射模式的转换时间至少为 1ms；可以发送任意长度的数据；发射模式转换为接收模式的转换时间至少为 3ms。在待机模式时，电路进入待机状态，电路不接收和发射数据。待机模式转换为发射模式的转换时间 至少为 4ms；待机模式转换为接收模式的转换时间至少为 5.0ms。这里给出系统和程序的工作流程图
从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是 tST。
Power Up 与 TX 间的切换
从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中 TXEN 的输入脚必须保 为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时，TXEN 必须保持 1ms 以后才可 以往 DIN 发送数据。
二、 题目分析及方案论证：
本题中要求发射大于 10 米，且多通道。所以可采用高频无线数字收发模块。如 NRF 系列数字收发 模块。可选用单片机给数字模块进行控制和配置寄存器，及用 SPI 给数字模块发送数据。
1 、NRF 系列数字收发模块选择方案论证
1.1 NRF401 可以达到题目要求 所设计的无线数传模块由单片射频收发芯片 nRF401、AT89C52 微控制器和 MAX3316 接口芯片
1 所示。
2.2 引脚介绍
表 1：nRF905 引脚
nRF905 有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是 ShockBurstTM 接收模式和 ShockBurstTM 发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nRF905 的工作模式由 TRX_CE、TX_EN 和
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构成，工作在 433.92／434.33MHz 频段； nRF401 是北欧集成电路公司（NORDIC）的产品，是一个为 433MHz ISM 频段设计的真正单片
UHF 无线收发芯片，满足欧洲电信工业标准（ETSI）EN300 200-1 V1.2.1。它采用 FSK 调制解调技术， 最高工作速率可以达到 20K，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。nRF401 的天线接口设计为差 分天线，以便于使用低成本的 PCB 天线。它要求非常少的外围元件（约 10 个），无需声表滤波器、变容 管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的 4MHz 晶体，收发天线合一。无需进行初始化和配置，不需 要对数据进行曼彻斯特编码，有两个工作频宽（433.92/434.33MHz）,工作电压范围可以从 2.7-5V，还具 有待机模式，可以更省电和高效。
nRF401 无线收发芯片的结构框图如图 1 所示：内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控 制逻辑电路及串行接口几部分。发射电路包含有：射频功率放大器、锁相环（PLL），压控振荡器（VCO）， 频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器，产生电路所需的基准频率。
其主要特性如下: ●工作频率为国际通用的数传频段
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nRF905 在使用中，根据不同需要，其电路图不尽相同，图 2 所示为典型的应用原理图，该电路天线部分使用的是 50Ω 单端天线。在 nRF905 的电路板设计中，也可以使用环形天线，把天线布在 PCB 板上，这可减小系体积。
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3. NRF2401 芯片是 2.4G 高频无线数字收发模块 nRF2401 是单片射频收发芯片，工作于 2.4～2.5GHz ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶 体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm 的 功率发射时，工作电流只有 10.5mA，接收时工作电流只有 18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。 其 DuoCeiverTM 技术使 nRF2401 可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401 适用于多 种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。ｎＲＦ2401 无线收发一体 芯片和蓝牙一样，都工作在２．４ＧＨｚ自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。ｎＲＦ2401 支持多点 间通信，最高传输速率超过 1MBit／Ｓ，而且比蓝牙具有更高的传输速度。它采用ＳｏＣ方法设计，只需少 量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是，nRF 2401 没有复杂的通信协议，它完全对用户透明， 同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF 2401 比蓝牙产品更便宜。所以ｎＲnRF 2401 是业界体积 最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。
监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。NRF905 比 NRF401 先进多了。能充分满足题目要求。
2. 芯片结构、引脚介绍及工作模式
nRF905 片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编
码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。nRF905 的详细结构如图
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在关机模式，nRF905 的工作电流最小，一般为 2.5uA。进入关机模式后，nRF905 保持配置字中的内容， 但不会接收或发送任何数据。 空闲模式有利于减小工作电流，其从空闲模式到发送模式或接收模式的启动时间也比较短。在空闲模式下， nRF905 内部的部分晶体振荡器处于工作状态。nRF905 在空闲模式下的工作电流跟外部晶体振荡器的频率有 关。 2.5 器件配置 所有配置字都是通过 SPI 接口送给 nRF905。SIP 接口的工作方式可通过 SPI 指令进行设置。当 nRF905 处于 空闲模式或关机模式时，SPI 接口可以保持在工作状态。 2.6SPI 接口配置 SPI 接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器 5 个寄存 器组成。状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息；射频配置寄存器包含收发器配 置信息，如频率和输出功能等；发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数；发送数据寄存器包含待 发送的数据包的信息，如字节数等；接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。 2.7 射频配置 射频配置寄存器和内容如表 3 所示：
当从 RX 切换到 TX 模式时,数据输入脚(DIN)必须保持为高至少 1ms 才能收发数据。当从 TX 切换到 RX 时，数据输出脚（DOUT）要至少 3ms 以后有数据输出。
Standby 与 RX 之间的切换
从待机模式到接收模式，当 PWR_UP 输入设成 1 时，经过 tSR 时间后,DOUT 脚输出数据才有效。对 nRF401 来说，tST 最长的时间是 3ms。
工作模式，自动处理字头和 CRC(循环冗余码校验)，使用 SPI 接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，
其功耗非常低，以-10dBm 的输出功率发射时电流只有 11mA，工作于接收模式时的电流为 12.5mA，内建空
闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905 适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线
PWR_UP 三个引脚决定，详见表 2。 2.1ShockBurstTM 模式
与射频数据包有关的高速信号处理都在 nRF905 片内进行，数据速率由微控制器配置的 SPI 接口决定， 数据在微控制器中低速处理，但在 nRF905 中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，这很有利于节能。 由于 nRF905 工作于 ShockBurstTM 模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。 在 ShockBurstTM 接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配(AM)和数据准 备好(DR)两引脚通知微控制器。在 ShockBurstTM 发送模式，nRF905 自动产生字头和 CRC 校验码，当发 送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知，nRF905 的 ShockBurstTM 收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。下面具体详细分析 nRF905 的发送流程和接收流程。 2.2 发送流程 典型的 nRF905 发送流程分以下几步： 接口的速率在通信协议和器件配置时确定； B. 微控制器置高 TRX_CE 和 TX_EN，激发 nRF905 的 ShockBurstTM 发送模式； C. nRF905 的 ShockBurstTM 发送： l 数据打包(加字头和 CRC 校验码)； 2 发送数据包； 3 当数据发送完成，数据准备好引脚被置高； D. AUTO_RETRAN 被置高，nRF905 不断重发，直到 TRX_CE 被置低； E. 当 TRX_CE 被置低，nRF905 发送过程完成，自动进入空闲模式。 ShockBurstTM 工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论 TRX_EN 和 TX_EN 引脚是高或低，发送过 程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕，nRF905 才能接受下一个发送数据包。 2.3 接收流程 A. 当 TRX_CE 为高、TX_EN 为低时，nRF905 进入 ShockBurstTM 接收模式； B. 650us 后，nRF905 不断监测，等待接收数据； C. 当 nRF905 检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高； D. 当接收到一个相匹配的地址，地址匹配引脚被置高； E. 当一个正确的数据包接收完毕，nRF905 自动移去字头、地址和 CRC 校验位，然后把数据准备好引脚置 高 F. 微控制器把 TRX_CE 置低，nRF905 进入空闲模式； G. 微控制器通过 SPI 口，以一定的速率把数据移到微控制器内； H. 当所有的数据接收完毕，nRF905 把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低； I. nRF905 此时可以进入 ShockBurstTM 接收模式、ShockBurstTM 发送模式或关机模式。 当正在接收一个数据包时，TRX_CE 或 TX_EN 引脚的状态发生改变，nRF905 立即把其工作模式改变，数 据包则丢失。当微处理器接到地址匹配引脚的信号之后，其就知道 nRF905 正在接收数据包，其可以决定是 让 nRF905 继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。 2.4 节能模式 nRF905 的节能模式包括关机模式和节能模式。