无线遥控设计——电子工程系“电创杯”竞赛论文
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1、电子工程系第三届“电创杯”竞赛论文无线遥控组号:39参赛队员:李国化 夏九 杨振雷无线遥控设计一、 总体概述:本系统有六大部分组成分PS/2电脑键盘控制部分、双单片机控制部分、无线数字收发部分、摄相头采集部分、高频放大发射部分、电视观察接收信号图像部分。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
2、器和MAX3316接口芯片构成,工作在433.92434.33MHz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
3、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 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
4、250 A,待机状态仅为8 A(nRF401); 最大发射功率达 +10dBm ; 低工作电压(2.7V),可满足低功耗设备的要求; 具有多个频道,可方便地切换工作频率 ; 工作速率最高可达20Kbit/s(RF401); 仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件,基本无需调试; 因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,使用无需申请许可证,开阔地的使用距离最远可达1000米 (与具体使用环境及元件参数有关)。TX与RX之间的切换 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
5、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。 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的输入脚必须保持为低,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。 从上电到接收模式过程中,芯片将不会接收数据,DOUT也不会有数据输出,直到电压稳定达到2.7V以上,并且至少保持5ms。如果采用外部振荡器,这个时间可
6、以缩短到3ms。 在实际应用中,微控制器采用Atmel公司的AT89C52,分别用单片机的P1口各管脚控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS这五个脚即可。 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
7、;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 1.2 单片射频收发器nRF905也可达到要求 nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器,工作电压为1.93.6V,32引脚QFN封装(5由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成,不需外加声表滤波器, ShockBurstTM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
8、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1所示。2.2引脚介绍 表1:nRF905引脚 n
9、RF905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ShockBur
10、stTM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ShockBurst
11、TM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ShockBurs
12、tTM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
13、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。 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。nRF9
14、05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
15、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: 表3:射频配置寄存器射频寄存器的各位的长度是固定的。然而,在ShockBurstTM收发过程中,TX_PAYLOAD、RX_PAYLOAD、TX_ADDRESS和RX_ADDRESS 4个寄存器使用字节数由配置字决定。nRF905进入关机模式或空闲模式时,寄存器中的内容保持不变。2.8 应用电路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50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。 3. NRF2401芯片是2.4G
16、高频无线数字收发模块 nRF2401是单片射频收发芯片,工作于2.42.5GHz 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。2401无线收发一体芯片和蓝牙一样,都工作在自由频段,能够在全球无线市场畅通无阻。2401支
17、持多点间通信,最高传输速率超过1MBit,而且比蓝牙具有更高的传输速度。它采用方法设计,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nRF 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。3.1. 芯片结构、引脚说明nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器,功率放大器等功能模块,需要很少的外围元件,因此使用起来非常方便。QFN24引脚封装,外形尺寸只有55mm。nR
18、F2401的功能模块如图1所示。3.2芯片结构作模式工nRF2401有工作模式有四种:收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三个引脚决定,详见表2。 表2:nRF2401工作模式 3.3 收发模式nRF2401的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种,收发模式由器件配置字决定,具体配置将在器件配置部分详细介绍。3.4.ShockBurstTM收发模式ShockBurstTM收发模式下,使用片内的先入先出堆栈区,数据低速从微控制器送入,但高速(1Mbps)发射,这样可以尽量节能,因此,使用低速的微控制器也能得
19、到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行,这种做法有三大好处:尽量节能;低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射);数据在空中停留时间短,抗干扰性高。nRF2401的ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。在ShockBurstTM收发模式下,nRF2401自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时,自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时,自动加上字头和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。3.4.1 ShockBurstTM发射流程接口引脚为CE,CLK1,DATAA. 当微控制器有数据要发送时,
20、其把CE置高,使nRF2401工作;B. 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401;C. 微控制器把CE置低,激发nRF2401进行ShockBurstTM发射;D. nRF2401的ShockBurstTM发射 给射频前端供电; 射频数据打包(加字头、CRC校验码); 高速发射数据包; 发射完成,nRF2401进入空闲状态。3.4.2 ShockBurstTM接收流程 接口引脚CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1)A. 配置本机地址和要接收的数据包大小;B. 进入接收状态,把CE置高;C. 200us后,nRF2401进入监视状态,等待数据包的到来;D. 当接收到正确的数
21、据包(正确的地址和CRC校验码),nRF2401自动把字头、地址和CRC校验位移去;E. nRF2401通过把DR1(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器;F. 微控制器把数据从nRF2401移出;G. 所有数据移完,nRF2401把DR1置低,此时,如果CE为高,则等待下一个数据包,如果CE为低,开始其它工作流程。3.5.1直接收发模式在直接收发模式下,nRF2401如传统的射频收发器一样工作。3.5.2直接发送模式接口引脚为CE、DATAA. 当微控制器有数据要发送时,把CE置高;B. nRF2401射频前端被激活;C. 所有的射频协议必须在微控制器程序中进行处理(包括字头、地址
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