基于nRF401芯片和AT89S51芯片實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 模塊總體硬件結(jié)構(gòu)

模塊總體硬件結(jié)構(gòu)主要由微控制器和藍(lán)牙芯片及其相應(yīng)的外圍電路組成，能自動(dòng)完成波特率識(shí)別，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼處理，給用戶提供了一個(gè)透明的數(shù)據(jù)接口。微控制器選用Atmel公司新推出的具有可在線編程（ICSP）功能的單片機(jī)AT89S51，便于以后軟件的升級(jí)。根據(jù)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)射功率等方面因素的綜合比較，選用nRF401芯片作為無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸芯片。

nRF401是單片無(wú)線收發(fā)芯片，采用藍(lán)牙核心技術(shù)設(shè)計(jì)，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。它是目前集成度最高的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，也是目前唯一一個(gè)可以直接連接微控制器串口進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸、無(wú)需進(jìn)行曼徹斯特編碼的無(wú)線收發(fā)芯片。nRF401發(fā)射功率最大為10 mw，工作電壓為2.7～5 V，發(fā)射電流為8～30 mA，接收電流約為10 mA，待機(jī)電流為8 μA，靈敏度為-105dBm，20腳8 mm×7 mm的SOIC封裝；所需外部元件很少，僅外接一個(gè)晶振和幾個(gè)阻容、電感元件；基本無(wú)需凋試，傳輸速率最高為19.2 kbps，工作頻段為433／434 MHz，有2個(gè)信道，調(diào)制方式FSK。

nRF401端口中與微控制器相關(guān)的有5個(gè)：DIN和DOUT用于異步串行通信，DIN的數(shù)據(jù)方向?yàn)槲⒖刂破鞯綗o(wú)線芯片，DOUT則相反；CS選擇芯片頻段，CS=0時(shí)為433.92 MHz，CS=1時(shí)為434.33 MHz，在本模塊中將該引腳引出，以方便用戶的控制，當(dāng)一個(gè)頻段無(wú)法工作時(shí)，可以設(shè)置為另一個(gè)工作頻段，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；PWR_UP用于芯片節(jié)電控制，PWR_UP=0時(shí)為掉電（節(jié)電模式），PWR_UP=1時(shí)為上電（工作模式），在該模塊中同樣將其引出，當(dāng)不需要無(wú)線發(fā)射和接收時(shí)，用戶可將芯片設(shè)置為節(jié)電模式以降低系統(tǒng)功耗；TXEN選擇芯片處于發(fā)射或接收狀態(tài)，TXEN=0時(shí)為接收狀態(tài)，TXEN=1時(shí)為發(fā)送狀態(tài)。

PCB板布局和電源去耦設(shè)計(jì)對(duì)于RF射頻電路獲得較好的性能是必要的，電路板采用1.6 mm厚FR4板材的兩層PCB，底層鋪銅面，并在元件層空白區(qū)鋪銅；多打通孔連接上下層，銅面與地線相連，天線下底層不鋪銅，VSS直接與銅層連接，并保證關(guān)鍵元件有充分的接地。所有開(kāi)關(guān)數(shù)字信號(hào)和控制信號(hào)都不能經(jīng)過(guò)PLL環(huán)路濾波器元件和VCO電感附近。直流供電在離VDD腳盡可能近的地方用高性能的電容去耦，去耦使用1個(gè)小電容（0.01μF）和1個(gè)大電容（2.2μF）并聯(lián)，并避免較長(zhǎng)的電源走線。

2 硬件設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)

2.1 微控制器與nRF401接口設(shè)計(jì)

微控制器AT89S51與藍(lán)牙芯片nRF401的接口電路如圖2所示。nRF401芯片只需10個(gè)左右的元件即實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)收發(fā)功能，應(yīng)用極其方便。其TXEN端為數(shù)據(jù)收發(fā)選擇端，當(dāng)設(shè)定為發(fā)送模塊時(shí)，將其置為高電平；同時(shí)，DIN引腳與微控制器的TXD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(jī)的TXD相連。若設(shè)計(jì)為接收模塊，則將TXEN端置為低電平；同時(shí)，DOUT引腳與微控制器的RXD端相連，微控制器的RXD引腳與外部主控單片機(jī)的TXD引腳相連。模塊與外部單片機(jī)的通信波特率為自動(dòng)檢測(cè)方式，受nRF401芯片通信速率的限制，可以工作在1 200～19 200 bps。模塊上預(yù)留ICSP接口，可在系統(tǒng)編程，方便程序的升級(jí)；同時(shí)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(shí)現(xiàn)

模塊上的微控制器AT89S51既要控制nRF401芯片實(shí)現(xiàn)與外界的數(shù)據(jù)交換功能，又必須受控于模塊外部的主控單片機(jī)，因此AT89S51必須能同時(shí)與nRF401芯片和片外主控單片機(jī)通信；但AT89S51只有一個(gè)UART，無(wú)法滿足要求。為解決這一予盾，通常的做法是擴(kuò)展一片8251或8250通用同步／異步接收發(fā)送芯片（USART），但會(huì)額外占用單片機(jī)I／O資源，增加系統(tǒng)的成本，同時(shí)也增大了PCB板的布局面積。在本系統(tǒng)中用單片機(jī)普通I／O口模擬串行口，利用該方法還可擴(kuò)展多個(gè)外部串行端口，實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。

要實(shí)現(xiàn)用普通的I／O口模擬串口，必須首先確定串行口的通信速率（即波特率）。本系統(tǒng)中，該模塊設(shè)計(jì)成波特率為1 200～19 200 bps自適應(yīng)式的通信模塊，自身的波特率能隨主控單元的變化而自動(dòng)調(diào)整，使系統(tǒng)適應(yīng)性更強(qiáng)，更智能化，因此，必須首先解決好波特率自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別的問(wèn)題。

2.2.1 波特率自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

波特率自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別的常用方法主要有兩種。

（1） 標(biāo)準(zhǔn)波特率窮舉法

標(biāo)準(zhǔn)波特率窮舉法要求主機(jī)側(cè)的波特率必須在有限的幾個(gè)固定數(shù)值之間變化，如300～9 600的標(biāo)準(zhǔn)值；同時(shí)從機(jī)側(cè)的工作振蕩頻率已知且穩(wěn)定。從機(jī)啟動(dòng)通信程序后，逐個(gè)嘗試以不同的波特率接收主機(jī)發(fā)出的特定字符，直到能正確接收為止。因此，該方法的運(yùn)用有一定的局限性。

（2） 碼元寬度實(shí)時(shí)檢測(cè)法

碼元寬度實(shí)時(shí)檢測(cè)法是先通過(guò)單片機(jī)的定時(shí)器測(cè)量接收（RXD）引腳上輸入數(shù)據(jù)的碼元寬度，即機(jī)器周期的計(jì)數(shù)值，而后用軟件計(jì)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。

在本系統(tǒng)中用碼元寬度實(shí)時(shí)檢測(cè)法確定出主機(jī)的波特率，而后從機(jī)自身進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。理論上，只要能夠測(cè)出一個(gè)碼元的寬度就能確定出數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈剩坏趯?shí)際測(cè)量過(guò)程中，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，通常采取測(cè)量連續(xù)8個(gè)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(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、無(wú)校驗(yàn)、1個(gè)停止位，發(fā)送時(shí)低位數(shù)據(jù)在前，高位在后），因此連續(xù)8個(gè)碼元寬度的時(shí)間可以通過(guò)在主機(jī)側(cè)發(fā)0x80H的方式實(shí)現(xiàn)，其波形如圖3所示。起始位加7個(gè)碼元寬度的低電平，剛好構(gòu)成8個(gè)脈寬的低電平。單片機(jī)采用串口中斷的方式接收數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，打開(kāi)定時(shí)器，同時(shí)不斷查詢接收引腳的狀態(tài)；當(dāng)RXD變?yōu)楦唠娖胶笸Ｖ褂?jì)數(shù)，這樣單片機(jī)就可以測(cè)量出此低電平持續(xù)的寬度。

設(shè)主機(jī)側(cè)的波特率為BPS，其值未知，則此時(shí)連續(xù)8個(gè)碼元的寬度計(jì)算公式為：

設(shè)模塊內(nèi)AT89S51單片機(jī)的工作頻率為fOSC，用定時(shí)器T1方式2（常數(shù)自動(dòng)裝入方式）產(chǎn)生波特率，串行口工作在方式1，此時(shí)串口的波特率BAUD由定時(shí)器T1的溢出率和SMOD位同時(shí)決定。

當(dāng)T1用作波特率發(fā)生器時(shí)，寄存器TL1用作計(jì)數(shù)器，而自動(dòng)重裝的值放在TH1內(nèi)，設(shè)初始值為X，則每過(guò)“256-X”個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)器T1就會(huì)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(shí)禁止T1中斷。AT89S51內(nèi)部機(jī)器周期為振蕩周期的12分頻，因此，T1的溢出周期為：

設(shè)AT89S51內(nèi)部定時(shí)器T1測(cè)量連續(xù)8個(gè)碼元計(jì)數(shù)值為M，由于是對(duì)內(nèi)部的機(jī)器周期計(jì)數(shù)，且機(jī)器周期是內(nèi)部振蕩周期的12分頻，所以總數(shù)為M的機(jī)器周期代表的實(shí)際時(shí)間是：

由式（9）可以看出，其初值不依賴于單片機(jī)的工作頻率，因此，只要單片機(jī)的工作頻率相對(duì)穩(wěn)定即可，對(duì)具體數(shù)值無(wú)要求。

另外，需要說(shuō)明的是，對(duì)于串行異步通信，通信雙方的波特率不必嚴(yán)格相等，只要雙方的差別在一定的范圍之內(nèi)，就可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的通信。

2.2.2 軟件模擬串口的實(shí)現(xiàn)

波特率確定以后，即可用軟件模擬實(shí)現(xiàn)串行口。就單片機(jī)而言，要實(shí)現(xiàn)模擬串口，必須解決好時(shí)序問(wèn)題，不能造成通信過(guò)程中的數(shù)據(jù)丟失，為此，采用單片機(jī)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(shí)器T0以定時(shí)中斷方式對(duì)接收碼元采樣或發(fā)送數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)軟件的串口。

對(duì)于軟件模擬串口，關(guān)鍵在于解決好時(shí)序問(wèn)題。本系統(tǒng)中，充分利用了nRF401芯片半雙工通信的特點(diǎn)（即數(shù)據(jù)發(fā)送和接收不能同時(shí)進(jìn)行），成功地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)軟件串行口。串行數(shù)據(jù)的發(fā)送實(shí)現(xiàn)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，只需利用定時(shí)器使發(fā)送出去的碼元維持一定的時(shí)間寬度；實(shí)現(xiàn)異步串行接收的關(guān)鍵是起始位的檢測(cè)和信息位的準(zhǔn)確提取。任何時(shí)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(shí)準(zhǔn)確地接收數(shù)據(jù)，而通信過(guò)程中沒(méi)有同步信號(hào)，因此串行數(shù)據(jù)的提取相對(duì)而言具有一定的難度。為此，采用AT89S51的外部中斷0口模擬RXD，并沒(méi)置其中斷方式為邊沿觸發(fā)，平常維持其為高電平。由于起始位為低電平，因此，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)后就會(huì)產(chǎn)生中斷，則根據(jù)波特率設(shè)置的定時(shí)時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，即可實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的接收。

結(jié) 語(yǔ)

基于本思想設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊，已成功地運(yùn)用于“磁柵式浮動(dòng)檢測(cè)儀”項(xiàng)目中。經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。

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