八路无线抢答器毕业设计

湖南学院
毕业设计(论文)
题目
专业名称
指导教师
指导教师职称
班级
学号 3
学生姓名
2016年 4 月 23 日
目录
摘要 (ⅱ)
Abstract (ⅲ)
绪论 (ⅳ)
1 八路无线抢答器的总体方案 (1)
1.1八路无线抢答器的总体框图 (2)
1.2八路无线抢答器的框图分析 (2)
1.3八路无线抢答器的电路原理 (2)
2 抢答器原理 (5)
2.1 抢答器简介 (5)
2.2 74ls148 (5)
2.3 D触发器 (12)
3八路无线抢答器的无线通讯 (17)
3.1 无线接收模块 (17)
3.2 nRF905简介 (20)
3.3无线模块的选择 (23)
4关于八路无线抢答器的自我认识 (24)
5八路无线抢答器的总结 (25)
总结 (25)
参考文献 (27)
致谢 (27)
摘要
这个设计将传统的有线抢答器改造成一种基于无线数传模块 NRF905 的八路抢答系统，系统由 1 台主机和 8 台子机组成，共占用 9 个无线频段，包括 1 个公共频段和 8 个子机频段。

主机和子机均利用 AT89S52 单片机进行控制，实现抢答检测、成员分数显示和控制等功能。

主机和子机之间的通信采用 2 字节通信帧格式，并自定义通信命令与协议。

并通过多种方式对抢答结果进行显示。

关键词：无线；应答机；scmat89s52；检测；控制；通信
Abstract
This design reforms the traditional wired answering device into a wireless data transmission module nRF905 Eight way responder system.The system consists of 1 hosts and 8 table machine.Occupies a total of 9 radio frequency band.Includes 1 public frequency band and 8 sub machine band.Host and promoter machine using AT89S52 MCU control, realize the violation detection alarm, timing, answer member scores display and control functions.The communication between host and promoter using 2 byte communication frame format, and custom communication command and protocol.The state of the different running states of vies to answer first division, using the time slice rotation system and state processing mechanism for different state for the processing and switching.
Keywords : wireless; answering machine; scmAT89s52; detection;control;communication
绪论
当今的社会竞争日益激烈，选拔人才，评选优胜，知识竞赛之类的活动愈加频繁，那么也就必然离不开抢答器。

而现在的抢答器有着数字化，智能化的方向发展，这就必然提高了抢答器的成本。

鉴于现在小规模的知识竞赛越来越多，操作简单，经济实用的小型抢答器必将大有市场。

本抢答器通过十分巧妙的设计仅用两块数字芯片便实现了数显抢答的功能，与其他抢答器电路相比较有分辨时间极短、结构清晰，成本低、制作方便等优点，并且还有防作弊功能。

因此，我们制作了这款简易八路抢答器屏弃了成本高，体积大，而且操作复杂。

我们采用了数字显示器直接指示，自动锁存显示结果，并自动复位的设计思想，因而本抢答器具有显示直观，不需要人干预的特点。

而且在显示时抢答器会发出叮咚声使效果更为生动。

工厂、学校和电视台等单位常举办各种智力竞赛, 抢答记分器是必要设备。

1八路无线抢答器的总体方案
确定单片机的型号根据系统的功能与要求，选择AT89C52比较宜。

任务：设计一个供8名选手参加的八路扫描式抢答器。

每组设计一个抢答按扭供参加者使用。

电路具有第一抢答信号的鉴别和锁定存储功能。

在主持人将系统复位并发出抢答指令后，如果参赛者在第一时间按抢答开关，则按钮指示灯灯亮并用组别电路显示出抢答者的组别。

同时扬声器发出声音。

电路应具有自锁功能，使其他组不起作用。

系统的功能与要求
每名选手有一个抢答按扭，按扭的编号与选手的编号相对应，抢答器具有信号的鉴别和数据的锁存、显示的功能。

抢答开始后，若有选手抢答按扭，则选手指示灯亮，并在数码管上显示相应的编号，蜂鸣器发出音响提示。

同时，电路应具备自锁功能，禁止其他选手再抢答，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。

抢答器具有定时抢答的功能。

在主持人发出抢答指令后，定时器立即进行减计时，并在显示器上显示，同时蜂鸣器发出短暂的声响，声响持续0.5s左右。

选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器显示选手编号，并保持到主持人将系统清零为止。

八路抢答器的概述
本文介绍的八路数显抢答器具有电路简单、成本较低、操作方便、灵敏可靠等优点，经使用效果良好，具有较高的推广价值。

可用于8组或8组以下的智力竞赛中。

比赛前，将参赛组从0至7编号，每组发给对应的的一个抢答按钮。

主持人按一下总控制启动键后，抢答开始。

此后，哪一组最先按下抢答按钮，数码显示器就立即显示该组的组号并锁定，同时蜂鸣器发出声响。

以后，按下任何一路抢答按钮均不起反应。

只有主持人再次按动启动键后，才能进行下一次抢答该电路。

1.2 八路无线抢答器的框图分析
图1.1 1.2八路无线抢答器的电路原理
八路无线抢答器原理图
基于nRF905单片机的无线抢答器系统的原理框图如上所示，由8路无线抢答器终端，主控制器以及上位微机系统组成。

无线抢答器中断1
无线抢答器中断2
无线抢答器中断3
主持人控制器
无线接收解码模块
LED 显示模块
蜂鸣报警器模块 人机接口模块
单片机抢答器控制中心
显示屏
上位随机
音响设备
系统的主机主要负责和子机进行无线通信和信息处理，没有和高端计算机的交互过程。

主机将抢答过程分为几种状态处理: 发布态、答题态、抢答态、完成态。

系统可以在不同状态间相互切换和轮转。

当主机处于发布态时，主机轮流在公共频道发送8 个子机成员信息，并对8 路子机进行复位。

任何时候按下“复位”按钮即进入发布态。

在发布态若按下“答题/抢答”键，主机进入答题态。

主机在答题态的时候处于接收模式，进行通道巡检，看8 个子机有没有信号发出。

如果收到任何一个子机信号，说明子机提前按下抢答按钮，该子机视作违规抢答，违规指示灯亮起，进入完成态。

当处于答题态的时候如果再次按下“答题/抢答”键，主机进入抢答态。

只有主机在抢答态的时候才允许子机抢答。

主机同时对抢答时间做出了120 s 的限制，超出了抢答时间子机就无法抢答，并且退回发布态。

如果子机成员抢答成功的时候，主机进入完成态。

只有主机在完成态，主机才可以利用按键对子机进行分数加减设置。

抢答器子机流程
抢答器接收机流程图
图1.3
2抢答器原理
2.1抢答器简介
在竞赛，文体娱乐活动（抢答活动）中，能准确，公正，直观的判断出抢答者的机器。

通过抢答者的指示灯显示，数码显示和警示显示等手段指示出第一抢答者。

一般抢答器由单片机以及外围电路组成，分为八路十路等不同，八路和十路的差别是，抢答器背后的接口有几组，和外形没有关系。

2.2 74ls148
LS148 是将8 数据线编至二进制的3 数据线的8 线—3 线优先编码器。

级联电路（赋能输入端EI 和赋能输出端EO）使其不需外接电路就可进行八进位扩展。

输入和输出均为低电平有效。

所有输入端均有缓冲器，是一个74LS/74LS 系列的标准负载。

本电路可用于：N 位编码，代码转换和产生。

特点：缓冲输入设计
可以对输入进行优先译码，以保证只对最高位的数据线编码典型参数
tpd=15ns
Pd=60mW
图2.1
管脚功能
管脚名
称管脚功能说明管脚名称管脚功能说明
1 I4 信号输入低电平有效9 UCC 电源
2 I5 信号输入低电平有效10 EO 输出使能端
3 I6 信号输入低电平有效11 GS 输出有效标
志端
4 I7 信号输入低电平有效12 I3 信号输入低电平有效
5 EI 输入使能端13 I2 信号输入低电平有效
6 A2 信号输出14 I1 信号输入低电平有效
7 A1 信号输出15 I0 信号输入低电平有效
8 GND 地接地16 A0 信号输出
表2.1
图2.2
图 2.3 图2.4
时钟频率电路的设计
单片机必须在时钟的驱动下才能工作。

在单片机内部有一个时钟振荡电路，只需要外接一个振荡源就能产生一定的时钟信号送到单片机内部的各个单元，决定单片机的工作速度。

时钟电路如图2.5所示。

图2.5
选用石英晶体振荡器。

此电路在加电大约延迟10ms后振荡器起振，在XTAL2引脚产生幅度为3V左右的正弦波时钟信号，其振荡频率主要由石英晶振的频率确定。

电路中两个电容 C1，C2的作用有两个：一是帮助振荡器起振；二是对振荡器的频率进行微调。

C1，C2的典型值为30PF，有选择的晶振大小决定。

单片机在工作时，由内部振荡器产生或由外直接输入的送至内部控制逻辑单元的时钟信号的周期称为时钟周期。

其大小是时钟信号频率的倒数，常用fosc表示。

图中时钟频率为12MHz，即fosc=12MHz，则时钟周期为1/12µs。

复位电路的设计
单片机的第9脚RST为硬件复位端，只要将该端持续4个机器周期的高电平即可实现复位，复位后单片机的各状态都恢复到初始化状态，其电路图如图 2.6所示。

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图2.6
电解电容C3、电阻R9构成复位电路。

由于单片机是高电平复位，所以单片机的9脚RESET管脚处于高电平，此时单片机处于复位状态。

当上电后，由于电容的缓慢充电，单片机的9脚电压逐步由高向低转化，经过一段时间后，单片机的9脚处于稳定的低电平状态，此时单片机上电复位完毕，系统程序从0000H开始执行。

值得注意的是，在设计当中使用到了软件复位功能，倒计时时间的记忆功能实现的前提条件就是不能对单片机进行硬件复位，所以设定了软复位功能。

软复位实际上就是当程序执行完毕之后，将程序指针通过一条跳转指令让它跳转到程序执行的起始地址。

2.3 显示电路的设计
显示功能与硬件关系极大，当硬件固定后，如何在不引起操作者误解的前提下提供尽可能丰富的信息，全靠软件来解决。

在这里我们使用的是七段数码管显示，通常在显示上我们采用的方法一般包括两种：一种是静态显示，一种是动态显示。

其中静态显示的特点是显示稳定不闪烁，程序编写简单，但占用端口资源多；动态显示的特点是显示稳定性没静态好，程序编写复杂，但是相对静态显示而言占用端口资源少。

在本设计中根据实际情况采用的是动态显示方法。

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通过查表法，将其在数码管上显示出来，其中P0口为字型码输入端，P2口低3位为字选段输入端。

在这里我们通过查表将字型码送给7段数码管显示的数字，数码管显采用的是七段共阴数码管，其中A~H段分别接到单片机的P0口，由单片机输出的P0口数据来决定段码值，位选码COM1、COM3、COM4分别接到单片机的P2.0、P2.1、P2.2，由单片机来决定当前该显示的是哪一位。

在图中还有八个1K的电阻，连接在P0口上，用作P0口的上拉电阻，保证P0口没有数据输出时候处于高电平状态。

键盘扫描电路的设计
键盘是人与单片机打交道的主要设备。

关于键盘硬件电路的设计方法也可以在文献和书籍中找到，配合各种不同的硬件电路，这些书籍中一般也提供了相应的键盘扫描程序。

站在系统监控软件设计的立场上来看，仅仅完成键盘扫描，读取当前时刻的键盘状态是不够的，还有不少问题需要妥善解决，否则，人们在操作键盘就容易引起误操作和操作失控现象。

在单片机应用中键盘用得最多的形式是独立键盘及矩阵键盘。

它们各有自己的特点，其中独立键盘硬件电路简单，而且在程序设计上也不复杂，一般用在对硬件电路要求不高的简单电路中；矩阵键盘与独立键盘有很大区别，首先在硬件电路上它要比独立键盘复杂得多，而且在程序算法上比它要烦琐，但它在节省端口资源上有优势得多，因此它更适合于多按键电路。

其次就是消除在按键过程中产生的“毛刺”现象。

这里采用最常用的方法，即延时重复扫描法，延时法的原理为：因为“毛刺”脉冲一般持续时间短，约为几ms，而我们按键的时间一般远远大于这个时间,所以当单片机检测到有按键动静后再延时一段时间(这里我们取10ms)后再判断此电平是否保持原状态,如果是则为有效按
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键，否则无效。

采用了独立键盘的方式，本设计中有8个抢答按键输入，一个开始按键、一个结束按键，此外还有抢答时间调整键、回答时间调整键，加一按键、减一按键各一个。

如图2.7所示。

图2.7
发声电路
我们知道，声音的频谱范围约在几十到几千赫兹，若能利用程序来控制单片机某个口线的“高”电平或低电平，则在该口线上就能产生一定频率的矩形波，接上喇叭就能发出一定频率的声音，若再利用延时程序控制“高”“低”电平的持续时间，就能改变输出频率，从而改变音调，使喇叭发出不同的声音。

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设计如图2.8所示。

图中单片机的14脚输出具有复合功能，此处用到了单片机17脚的IO端口功能，单片机通过内部定时器的操作实现交替变换的波形输出驱动扬声器发声。

图2.8
本章详细讲述了以AT89S52为核心元件的抢答器的硬件电路设计过程，分析了电路。

在设计过程中，实现抢答功能的是通过编写程序的方法集成在AT89S52内部。

接着将程序下载到硬件电路中，配合周边的时钟电路，复位电路等，制作出符合设计要求的抢答器。

2.3 D触发器
边沿D触发器
电平触发的主从触发器工作时，必须在正跳前沿加入输入信号。

如果在CP高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的触发状态出错。

而边沿触发器允许在CP触发沿来到前一瞬间加入输入信号。

这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就大大降低了。

边沿触发器也称为维持-阻塞边沿D触发器。

该触发器由6个与非门组成，
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其中G1和G2构成基本RS触发器。

工作原理
SD和RD接至RS触发器的输入端，他们分别是预置和清零端，低电平有效。

当SD=1，RD=0时，不论输入端D为何种状态时，都会使Q=0，Q 非=1，即触发器置0；当SD=0，RD=1时，Q=1，Q非=0，即触发器置1；SD和RD通常又称为直接置1和置0端。

我们设他们都已加入了高电平，不影响电路的工作。

工作过程如下：
1.CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。

同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号讲这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5，非=D非。

图2.5
2.当CP由0变1时触发器翻转，这时G3和G4打开，他们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。

Q3=Q5，非=D非，Q4=Q6，非=D。

由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=Q3，非=D。

3.触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。

这时因为G3和G4打开后，他们的输出Q3和Q4的状态是互补的，即必定有一个是0，若Q3为0，则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁。

即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用，故该反馈线称为置0维持线，置1阻塞线。

Q4为0时，将G3和G6封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。

Q4输出端至G6反馈线起到了使触发器维持在1状态的作用，称作置1维持线，
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Q4输出至G3输入的反馈线起到阻止触发器置0的作用，称作置0阻塞线。

因此，该触发器常称为维持-阻塞触发器。

总之，该触发器是在CP正跳沿前接收输入信号，正跳沿时触发翻转，正跳沿后输入即被封锁，三步都是在正跳沿后完成，所以又边沿触发器之称。

与主从触发器相比，同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。

特征
特征表图2.6
特征方程：Qn+1=D
时序图 2.7
脉冲特性
1.建立时间：维持阻塞触发器的电路可见，由于CP信号是加在G3和G4上的，因而在CP上升沿到达之前门G5和G6输出端的状态必须稳定的建立起来。

输入信号到达D端以后，要经过一级电路的传输延迟时间G5的输出状态才能建立起来，而G6的输出状态需要经过两级门电路的传输延迟时间才能建立起来。

因此，D端的输入信号必须先于CP的上升沿到达，而且建立时间应满足：test 2tpd。

2.保持时间：为实现边沿触发，应保证CP=1期间门G5的输出状态不变，不受D端状态变化的影响。

为此，在D=0的情况下，
当CP上升沿到达以后还要等门G3输出的低电平返回到门G5的输入端以后，D端的输入端才允许改变。

因此输入低电平的保持时间为THL≥tpd。

在D=1的情况下，由于CP上升沿到达以后G4的输出将G3封锁，所以不要求输入信号继续保持不变。

故输入高电平的保持时间THH=0.
3.传输延迟时间：从CP上升沿到达时开始计算，输出由高电平变为低电平的传输延迟时间TPHL和由低电平变为高电平的传输延迟时间TPLH分别是：TPHL=3tpd，TPLH=2tpd。

4.最高时钟频率：为保证由门G1~G4 组成的同步RS触发器能可靠的翻转。

CP高电平的持续时间应大于TPHL，所以时钟信号高电平的宽度TWH应大于TPHL。

而为了在下一个CP上升沿到达之前确保门G5和G6新的输出电平可以稳定的建立，CP低电平的持续时间不应小于门G4的传输延迟时间和test之和，即时钟信号低电平的宽度TWL≥tset+tpd。

最后说明一点，在实际集成触发器中，每个门的传输时间是不同的，并且做了不同程度的简化，因此上面讨论的结果只是一些定性的物理概念。

其真实参数由实验决定。

在考虑建立保持时间时，应该考虑时钟树向后偏斜的情况，在考虑建立时间时应该考虑时钟树向前偏斜的情况。

在进行后仿真时，最大延迟用来检测建立时间，最小延迟用来检测保持时间。

建立时间的约束和时钟周期有关，当系统在高频时钟下无法工作时，降低时钟频率就可以使系统完成工作。

保持时间是一个和时钟周期无关的参数，如果设计不合理，使得布局布线工具无法布出高质量的时钟树，那么无论如何调整时钟频率也无法达到要求，只有对所设计系统作较大改动才有可能正常工作，导致设计效率大大降低。

因此
合理的设计系统的时序是提高设计质量的关键。

在可编程器件中，时钟树的偏斜几乎可以不考虑，因此保持时间通常都是满足的。

两者之间的比较：
74LS148从功能表可以看出，输入端优先级别的次序依次为I
7
，
I 6，…，I。

当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端
无低电平输入时，输出端才输出对应该输入端的代码。

D触发器：1. 自动执行。

触发器在对表的数据作了任何修改（比如手工输入或者应用程序的操作）之后立即被激活。

2. 级联更新。

触发器可以通过数据库中的相关表进行层叠更改，这比直接把代码写在前台的做法更安全合理。

3. 强化约束。

触发器可以引用其它表中的列，能够实现比CHECK约束更为复杂的约束。

4. 跟踪变化。

触发器可以阻止数据库中未经许可的指定更新和变化。

综上所述故而D触发器更适合于市场所需。

3 八路无线抢答器的无线通讯
3.1无线接收模
无线接收模块（英文名称：RF Wireless Receiver Module）一般分为超再生和超外差接收模块两种类型，按照是否有编解码还可分为无线接收头（不带解码，输出脉冲信号）、无线接收板（带解码芯片，输出TTL电平信号）。

无线接收模块广泛地运用于无线遥控、遥控玩具、防盗报警、车库门、卷闸门、道闸、伸缩门等门控业、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。

模块必须用信号调制才能正常工作，常见的固定码编码器件如PT2262/2272，NRF905，只要直接连接即可，非常简单，因为是专用编码芯片，所以效果很好传输距离很远。

编码解码芯片PT2262/PT2272芯片原理简介：
PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。

编码芯片PT2262发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。

当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100％的调幅。

在通常使用中，我们一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第1～8脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，
出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码状态，用户如果想改变地址编码，只要将P T2262和PT2272的1～8脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262的第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要也第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。

当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1～D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。

用户可将这些信号加一级放大，便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。

图3.1 PT2262引脚图
图3.2 PT2272 引脚图
3.2 NRF905简介
NRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼切斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。

NRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。

ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。

NRF905单片无线收发器是Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为 1.9-3.6V，32引脚QFN封装（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz3个ISM频道。

图3.3 NRF905B（PCB板载天线）模块尺寸：38*44（最宽处）
NRF905的特点：
低功耗ShockBurst工作模式
工作电源电压范围1.9—3.6V
多通道工作—ETSI/FCC兼容
通道切换时间<650us
输出功率可调至10dBm
传输前监听的载波检测协议
极少的材料消耗
多通道工作—ETSI/FCC兼容
当正确的数据包被接收或发送时有数据准备就绪信号
NRF905的接口
模式控制接口：
该接口由 PWR 、TRX_CE、TX_EN组成控制由nRF905组成的高频头的四种工作模式：掉电和 SPI 编程模式；待机和SPI编程模式；发射模式；接收模式。

状态输出接口：
提供载波检测输出CD，地址匹配输出AM，数据就绪输出DR。

SPI接口：
SPI 接口由 CSN、SCK、MOSI以及MISO组成。

在配置模式下单片机通过SPI接口配置高频头的工作参数；在发射/接收模式下单片机SPI接口发送和接收数据。

接口电路管引脚说明。