基于nRF401的PC机无线收发模块的设计

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基于nRF401的PC机无线收发模块的设计

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* t0 J4 E' S, N9 u    摘要：介绍了基于nRF401无线收发芯片的PC机串口通信模块和PC机ISA插槽通信模块的设计思路实现方案。通过该两种模块可以方便地实现PC机数字信号的载频传播,使计算机之间的无线数据传输成为可能。
    关键词：无线收发           nRF401 串口 ISA ActiveX
很多PC机应用系统需要增加无线数据传输功能。本文基于挪威NORDIC公司较新推出的单片无线收发一体芯片nRF401,设计出两种无线通信模块：具有标准RS232C接口的串行模块和具有标准PC机ISA总线插槽的通信模块。系统由基于nRF401的高频头（UFH）和连接PC机的接收适配器（ADAPTER）两部分组成。

% w. O( B: o7 t; I2 e8 n0 J7 B% _1 高频头设计
1.1 主芯片nRF401简介
nRF401是工作于ISM频段（433MHz）的单片机无线收发一体芯片。它是目前集成度量高的无线数传产品,20脚双列直插封装。NRF401内部结构如图1所示,其中包含高频接收/发射、PLL合成、FSK调制/解调和双频切换等单元。
2 x# H/ ~0 U# L/ }2 ~' h该芯片有如下特点：FSK[5]频移键控（Frquency-ShiftKeying）调制方式,直接数据输入输出,抗干扰能力强,特别适合工业场合;采用DSS+PLL频率合成技术,频率稳定性极好;灵敏度高,达到-105dBm;无需曼彻斯特编码;工作速率较高可达20kbit/s;较大发射功率达+10dBm,开阔地的使用距离最远可达1000m;工作在ISM频率433MHz和双信道频率433.92MHz/434.33MHz,使用不需要申请许可证。
  I! y4 p( G+ `/ w8 @1.2           考虑到相互干扰,在本系统中,高频头单独做成一块PCB板。
压控振荡器（VCO）外接22mH高品质因素电感;锁相环（PLL）外典型单端二阶段滤波器;振荡源输入接4MHz晶振;天线设计采用环形差分天线。和通信模块接口的电路采用四脚端口连接。其中,TXEN为发送使能,接低PCB板上的跳线。当接高电平时表明发送模式,反之为接收模式;CS为频率选择,也接PCB跳线,由高低电平选择所使用的频率;
  Z, B$ b# s3 _$ o: t+ U  yPWN_UP为节电模式选择,采用同样处理方式;ANT1/ANT2为天线接口。这样,高频头仅以DOUT、DIN、GND和VCC与通信模块构成接口,使系统调试非常方便。

+ I0 A5 a4 {  U& `( U( R2 通信适配器的设计
考虑到PC机应用的具体情况,本文提出了基于标准RS232C端口和基于ISA总线的两种设计思路。为防止高频电路对通信适配模块的干扰,两种情况下,通信适配器均单独设计PCB电路板。
  z7 t, j0 C# x2.1 RS232方案
2.1.1 硬件实现
% l  _+ \3 W. K# {, pRS232方案如图2所示,采用51系列芯片8052作为主控芯片,外加一片USART8251扩展8052的串行口,使之与PC机和高频头两端都具有通信的能力。其中,8251的RXRDY和TXRDY可以用一片或门相连接至8052的INT0端口（中断方式）或浮点（查询方式）。
  @* x7 j7 G" h5 D系统时钟采用7.3728MHz的石英晶振,由8252的ALE、WR、RD组合产生1.2288MHz的脉冲信号,该信号作为8251的CLK时钟信号,同时利用一片可编程定时/计数器8253进行64分频以产生8251的收发时钟。

在接收板端,高频头接收来自发送高频头的FSK调制电磁波,经过接口送到适配器的8052引脚RXD。运行于查询方式时,系统程序把数据从8052的TXD端向PC机传送,完成一次数据传输;在中断方式时,8251接收到数据后会激活系统中断服务例程完成同样的操作。发送板端与此类似,只不过经由8052的RXD、8251的TXD直接从高频头发送出去。
在电路图中,8052的P27用来产生8251的片选信号,P26接8253的WR以产生写入数据或命令字的片选信号。本系统编址如下：8251的命令状态端口C=7FFFH,数据端口D=7FFEH,8253的工作方式控制字口为BFF3H,通道1地址为BFF0H。
" I9 P- X. T! {- R+ \串行端口RXD/TXD与PC机串口连接时,选用一片MAXIM232芯片作TTL/RS232逻辑电平转换,如图3所示。
2.1.2 软件及配置
为平衡PC机端和8251端通讯的波特率,统一采用1200bps,设置如下：
8 W) A0 G6 }& {" b: q# U& n& P可编程定时/计数器8253工作于方式3,即方波发生器方式。工作方式控制字写入36H,采用二进制计数;为达到64分频的目的,在通道1写入40H。
通用同步/异步接收/发送器USART8251工作于异步方式,波特率1200bps,字符长度8位,一个停止位。考虑到系统的低波特率应该能满足传输的可靠性,故不设校验位。方式控制字为4EH,命令指令为15H。
在8051自身串口设置中,采用方式1即9位UART,以T1作为收发时钟。为满足1200bps的传输波特率,经计算得：T1编程为方式2定时状态,即可重载方式,计数常数为查询方式通信适配器流程图如图4所示。
, B- V  G; }: x) y* |3 \2.2 ISA方案
9 _8 a' `; K3 r* Y0 S& x" k! f' C在应用系统设计中,ISA总线由于其技术的成熟性而被广泛应用。下面简单介绍本系统的ISA方案。
$ M! y6 J; C7 k' o% I$ F5 R在该方案中,微型计算机作为系统中央处理设备,扩展一块UART8251使之具有串口通信的能力;74LS138用于不完整全地址译码,译码逻辑电路如图5所示;为避免对ISA总线操作造成影响,加了两片三态门电路74LS245进行总线隔离;在本系统中,去除了8952,仅使用一片USART8251和一片可编程定时/计数器8253,如图5和图6所示。
74LS138的输出脚y0同时选通8251的CS片选引脚和总线隔离芯片74LS245的G脚;由于74LS245固有的选通逻辑,使用ISA总线的IOR选通该三态门的DIR端;74LS138的y7脚同时选通8253的WR和另一片74LS245的G端;8251的命令数据脚C/D接ISA总线的A0,8253的A0、A1脚接ISA总线的A0、A1。8253的输出通道0和通道1设定8251的收发时钟TXC/RXC和系统时钟CLK。
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! m. ]; m* B! S# Q8 g+ O3 PC端通信软件设计
2 a. R2 u6 h3 _8 V0 b& }3.1 用8086汇编语言或C语言编制
, S/ n5 Y$ d. S5 O传统方式的PC端涉及的通信软件一般采用8086汇编语言或C语言提供的端口读写语句来实现,在本系统设计中,也可以这样做。
8 o& ~1 Y) f4 y* |4 RPC机读写串口其实就是对机内UART8251的操作。在本系统中,为达到1200bps的通信波特率,可对相关寄存器作如下设置：首先在线控制寄存器设置通信波特率,低位端口3F8H设置为60H,高位端口3F9H设置为00H;然后采用查询方式编制软件,先在线状态寄存器查询相关位,再作端口操作。
1 x4 x9 h& R4 g# K' A7 l1 Y2 v对ISA总线的访问也是通过端口来操作的,例如在上述译码方案中,端口分配如下：8251命令状态端口为331H,数据端口为330H;8253的通道0为33CH,通道1为33DH,命令口为33FH。只需使用IN或OUT指令进行操作。
3.2 在可视化环境下操作
# {$ O) x6 F8 x$ v( I7 X' I微软的可视化平台VB、VC可以很方便地完成上述操作。下面简述在VC中使用ActiveX控件开发PC串行通信程序。

在实际应用中,主要使用MSComm(MircosoftCommunicationControl)控件,它提供了事件驱动和查询两种方案。在事件驱动法中,每当有新字符到达端品,MSComm控件将触发OnComm事件。这样,应用程序坷通过检查MSComm控件的CommEvent属性采取相应的操作,它类似于汇编语言中的中断方式;较小的应用程序可以有采用查询法,也就是应用程序不断检查MSComm的CommEvent属性并采取相应操作,它类似于汇编中的查询法。
( u6 f+ K' ?: D. U/ j本文介绍了基于nRF401芯片的汇编中的查询法。块的研制,提出了两套具体的应用方案和相应的软件编制方法。对本系统的适当扩展,可以广泛应用于遥控、遥测、无线抄表、门禁系统、工业数据采集、身份辨识和非接触式RF智能卡系统等[3],具有一定的实践意义。

zophim

很实用的东东，谢谢楼主分享