基于89C52和射频芯片NRF401无线数传模块的设计

摘　要:提出了一种应用于公交车站间无线接力系统的设计思路及实现方案。 给出了基于无线射频芯片NRF401 和89C52 单片机的无线数传模块的硬件设计,并对系统在不同条件下的传输距离、传输数据的正确性等进行了测试。试验表明,该系统性能稳定,具有较强的抗干扰能力,将其应用于公交车站间进行无线传输,是一种可靠的方法。

关键词:NRF401 ;89C52 ;无线数传模块

随着单片式无线通信芯片技术的发展,无线通信被越来越多地应用到新的领域和被新产品采用。但在以前设计无线数传产品时往往需要相当的无线电专业知识和价格高昂的专业设备,因而影响了用户的使用和新产品的开发。NRF401 是北欧集成电路公司(NORDIC) 的产品,是一个为433 MHz ISM频段设计的真正单片UHF 无线收发芯片,为短距离无线数传应用提供了较好的解决办法,由于采用了低发射功率和高接收灵敏度的设计,因而可满足无线管制要求, 是目前低功率无线数传的理想选择。

在现实的生活中,特别是在繁华的都市中,如果公交调度室能及时地了解车辆运行情况,不但会提高工作效率,而且会给人们的出行带来很大的方便。但以往的一些数据传输方法如有线方式、短消息方式等因施工复杂、通信费用高而未能应用。本文提出了一种应用于公交车站间无线接力系统的设计方案。

射频收发芯片NRF401 的基本功能和特点

　 NRF401 无线收发芯片采用FSK 调制解调技术,最高工作速率可以达到20 KbitPs ;发射功率可以调整,最大发射功率是+ 10 dBm。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,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4 MHz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2 个工作频宽(433.92P434.33 MHz) ,工作电压为2.7～5 V ,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。

NRF401 有3 种工作模式: 收模式(RX) 、发模式( TX) 和等待模式(Std1by) 。 工作模式可由3 个引脚设定,分别是TXEN、CS 和PWR-UP。因此通过单片机控制NRF401 的工作模式,使其处于接收、发射、等待任一种状态,实现半双工通信。 若PWR = 0 ,TXEN 和CS 任意,系统为待机状态。若TXEN = 1 ,为发送状态; TXEN = 0 ,为接收状态。CS 为信道的选通端,CS = 0 选通信道为433.92 MHz ;CS = l 选通信道为434.33 MHz。其主要特性如下:

1) 工作频率为国际通用的数传频段;

2) 工作速率最高可达20 KbitPs ;

3) FSK调制,抗干扰能力强;

4) 采用PLL 频率合成技术,频率稳定性极好;

　　5) 灵敏度高达- 105 dBm ;

6) 功耗小, 接收状态250 μA , 待机状态仅为8μA ;

7) 最大发射功率达+ 10 dBm ;

8) 低工作电压(217 V) ,可满足低功耗设备的要求;

9) 具有多个频道,可方便地切换工作频率;

10) 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1 000 m ;

NRF401 接收机使用频移键控( FSK) 调制方式,改善了噪声环境下的系统性能。NRF401 另一个非常重要的特性是接收机的频带外阻抗很高(out -of - band blocking) ,这意味着它不需要外部声表面波(SAW) 滤波器。此外NRF401 的解调器是DC 平衡的,因此可以使用任何一种协议,也可以使用各种‘0’、‘1’序列,因而无需浪费单片机宝贵的处理资源来进行曼彻斯特编码。

系统设计

设计的无线接力传输系统由单片射频收发芯片NRF401 、微控制器AT89C52 、max232 、6264 等芯片组成。 其电路板连接如图2 所示。

　　Atmel 公司的AT89C52 单片机,是一种低功耗、高性能、片内含有8 KB Flash ROM 的8 位CMOS 单片机。从图2 中可以看出,微控制器是系统的“主管”,负责运行协议、控制NRF401 的收发状态,并运行系统的应用软件和硬件,从而节约成本和空间。芯片6264 负责数据的存储。NRF401 是接收发射合一芯片,即可以接收数据也可以发射数据,工作方式为半双工。因此该电路既是发射电路也是接 收电路。

在使用时, 首先通过微控制器89C52 对NRF401 内部寄存器进行设置,设定工作频率、发射功率等参数;进入正常工作状态后,通过微控制器根据需要进行收发转换控制、发送P接收数据或进行状态转换。 当公交车到站后,公交车会发信息给车站(工作频率f ₁ = 433.92 MHz) , 此车站把此信息打包转发给下一个车站(工作频率f ₂ = 434.33 MHz) ,下一个车站再次转发,直到调度室收到此信息。由于车站要分别接收上一个车站的信息和到站公车的信息, 所以由89C52 的定时器来控制,每隔10 ms 频率切换一次,轮流监听发自上一个车站和到站车辆的信号。为了尽量避免载波冲突, 系统采用令牌传输方式, 每次只有一个车站有权限发送数据, 即当传送数据的时候,令牌也传递到下一站, 每次发送完毕都需要接收方给发送方一个确认信号,否则,若在规定时间内发送方没有接收到确认信号,则重发,直到收到确认为止。这样调度室就可以通过主控电脑实时监控每辆车的到站情况。

系统测试运行情况

系统测试连接如图3 所示。

在系统测试的过程中,由信号源发射一组方波信号,在发射端用频谱仪观察发射信号的中心频率(观察工作频率是否在频率433.92/434.33 MHz) ,然后利用示波器在接收端观看接收到的波形(观察NRF401 是否工作在正常状态) ,最后可利用单片机将数据储存。

于无线通信环境的不确定性,各种环境下的传输效果是不尽相同的,路径损耗、建筑物影响、人体影响、外界干扰、多径现象和周围环境的吸收等都会对传输的距离产生一定的影响,只能在一个给定的条件下进行测试和评估。 因此,分别选择了不同的试验场地来进行实验。

在测试的过程中,当建筑物很多的时候,数传模块两端均离地面1.5 m(2.0 m) 高时,能够达到的最佳通信距离为30～50 m(40～50 m) ;在空旷场地,数传模块两端均离地面1.5 m 高时,最远的通信距离能够达到400 m。 这个通信距离与数据手册上的说明相差较大,原因可能源于调谐天线。 在实验中发现,当有人员走动或其他信号出现的时候,通信的距离会变得不稳定,这是由于天线是一个辐射器件。在其附近的物质或尺寸的任何改变都会影响天线的性能,包括辐射增益分布、天线阻抗和调谐等等,所以在实际应用中,最好采用高增益天线来提高通信距离。

测试中还发现,在现场即使没有任何发送器,在NRF401 的DOU T 引脚上也会观察到连续的数字“噪声”。后来通过研究发现,当接收器打开时,空气中的任何信号(数据或噪声) 都会被天线捕捉到并被解调。这就是所看到的系统中没有工作的发送器却存在“噪声”的原因。通过对系统数据传输能力的测试,该系统发送和接收数据正确、可靠,各元件工作正常。并且在此硬件连接的基础上,利用NRF401 进行串行数据接收及发送,收到了较好效果。

结束语

本文根据NRF401 的特点,提出了一种将其应用公交车站之间无线通信的实现方案。此方案硬件电路简单,软件编程也不复杂,是一种较好的设计思路。 只要稍作改动就可以应用到其他一些短距离无线通信领域。