基于nRF905模塊和C8051F單片機的無線收發(fā)系統(tǒng)設計
[導讀]本文設計了由C8051F0606單片機和nRF905無線射頻器收發(fā)組成的一種無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)由發(fā)射和接收模塊組成，發(fā)射模塊主要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后，通過nRF905發(fā)送出去；在接收模塊中，nRF905則將數(shù)據(jù)正確接收后通過上位機界面顯示出來，從而實現(xiàn)短距離井下的無線通信。
前言
在閉環(huán)鉆井系統(tǒng)中，要求實時地把井下的信息傳遞到地面，以實施人工監(jiān)控。通常情況下該任務由MWD中泥漿壓力脈沖發(fā)生器來完成。當使用井下動力鉆具組合時，近鉆頭傳感器和MWD被動力鉆具隔開。傳感器無法用線纜與MWD連接，因此要把傳感器的信息傳送給MWD只能通過無線通信的方法。
本文設計了由C8051F0606單片機和nRF905無線射頻器收發(fā)組成的一種無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)由發(fā)射和接收模塊組成，發(fā)射模塊主要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后，通過nRF905發(fā)送出去；在接收模塊中，nRF905則將數(shù)據(jù)正確接收后通過上位機界面顯示出來，從而實現(xiàn)短距離井下的無線通信。
無線收發(fā)系統(tǒng)硬件設計
nRF905模塊簡介
nRF905是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9 V~3.6 V，工作于433MHz、868MHz、915MHz 3個ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時間小于650μs，最大數(shù)據(jù)速率為100 kbit/s。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和GFSK調(diào)制器組成。
nRF905 模塊的高頻頭用戶接口電路管腳圖如圖1所示。
圖1 nRF905模塊的高頻頭用戶接口電路管腳
nRF905模塊具有兩種工作模式和兩種節(jié)電模式。工作模式包括：ShockBurst 接收模式和ShockBurst 發(fā)射模式；節(jié)電模式包括：掉電與 SPI 編程模式、待機與SPI編程模式。
系統(tǒng)硬件設計
本無線收發(fā)電路主要由C8051F060單片機和無線射頻芯片nRF905組成。系統(tǒng)方框圖如圖2所示。
圖2 無線收發(fā)電路系統(tǒng)組成框圖
C8051F350是Silabs公司的一款精確混合信號單片機，片內(nèi)有8通道16bit的S-D型ADC、128倍PGA、電流型DAC以及VREF等模擬外設，可以方便地與溫度壓力等傳感器直接連接。使用電流型DAC對傳感器進行激勵，傳感器的輸出信號經(jīng)片內(nèi)128倍PGA放大后進行A/D轉(zhuǎn)換，無需額外的信號調(diào)理電路。片內(nèi)8K FLASH，可在線編程和改寫，傳感器的標定參數(shù)可以在FLASH中存儲，節(jié)省片外存儲器。圖3為系統(tǒng)硬件電路圖。
圖3 nRF905與MCU的電路原理圖
軟件設計
本系統(tǒng)中的無線數(shù)據(jù)傳輸主要由無線數(shù)據(jù)收發(fā)器nRF905、C8051F單片機和顯示部分組成。nRF905收發(fā)器與單片機之間通過SPI口進行通信。因此，軟件設計過程中的重點是nRF905數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。
nRF905的數(shù)據(jù)發(fā)送過程
發(fā)送數(shù)據(jù)時的工作流程如圖4所示。當MCU有遙控數(shù)據(jù)節(jié)點時，接收點的地址 (TX- address) 和有效數(shù)據(jù) (Tx- payload) 將通過SPI接口傳送給nRF905。設計時應使用協(xié)議或MCU來設置接口速度。可用MCU設置TRX-CE，并使TX- EN為高電平來激活nRF905的ShockBurst傳輸。通過nRF905的ShockBurst可使無線系統(tǒng)自動上電，并完成數(shù)據(jù)包 (應加前導碼和CRC校驗碼) 的數(shù)據(jù)碼發(fā)送。
圖4 發(fā)射數(shù)據(jù)流程
nRF905的數(shù)據(jù)接收過程
當系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時，其接收數(shù)據(jù)流程圖如圖5所示。系統(tǒng)的工作過程如下：
首先，在650μs以后，nRF905將不斷監(jiān)測空中的信息。當nRF905發(fā)現(xiàn)有和接收頻率相同的載波時，其載波檢測 (CD) 被置為高電平；此后，當nRF905接收到有效地址時，地址匹配 (AM) 被置為高電平；當nRF905接收到有效的地址包 (CRC校驗正確) 時，nRF905將去掉前導碼、地址和CRC位，同時將數(shù)據(jù)準備就緒位 (DR)置為高電平，并用MCU設置TRX- CN為低電平，以進入standby模式，從而使MCU能夠以合適的速率通過SPI接口讀出有效的數(shù)據(jù)；當所有的數(shù)據(jù)讀出，nRF905將AM和DR設置為低電平，以便使nRF905準備進入ShockBurst RX、ShockBurst TX或Powerdown模式。
圖5 接收數(shù)據(jù)流程圖
用戶界面的設計
本軟件采用VB界面設計。將井下接收到并采集后的數(shù)據(jù)通過單片機顯示在PC機上，可以清楚地看到井下的相關數(shù)據(jù)信息。如圖6所示，是一組井下信息采集后通過無線傳輸?shù)姆绞?，將傳感器輸出的?shù)據(jù)傳輸?shù)組WD上。
圖6中通道1至通道15分別實測井參數(shù)量化臺階數(shù)轉(zhuǎn)換過后的模擬電壓值，其中包括壓力、溫度、濕度、三軸重力加速度傳感器輸出值（Gx、Gy、Gz）以及翼肋位移等等。在實際應用中可較為直觀地顯示出來。
圖6 用戶交互界面
結(jié)論
系統(tǒng)調(diào)試成功后，進行了多次數(shù)據(jù)傳輸實驗。本系統(tǒng)通過了實際數(shù)據(jù)通信實驗的驗證，運行穩(wěn)定，通信可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)100米左右的無線通信。從實驗數(shù)據(jù)可知，無線信號在井下傳輸環(huán)境下的損耗遠大于室外環(huán)境，在同等條件下，誤碼率主要與距離延伸有關。本系統(tǒng)還可以應用于點對點、點對多點通信的一些實際工作環(huán)境中。
在閉環(huán)鉆井系統(tǒng)中，要求實時地把井下的信息傳遞到地面，以實施人工監(jiān)控。通常情況下該任務由MWD中泥漿壓力脈沖發(fā)生器來完成。當使用井下動力鉆具組合時，近鉆頭傳感器和MWD被動力鉆具隔開。傳感器無法用線纜與MWD連接，因此要把傳感器的信息傳送給MWD只能通過無線通信的方法。
本文設計了由C8051F0606單片機和nRF905無線射頻器收發(fā)組成的一種無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)由發(fā)射和接收模塊組成，發(fā)射模塊主要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后，通過nRF905發(fā)送出去；在接收模塊中，nRF905則將數(shù)據(jù)正確接收后通過上位機界面顯示出來，從而實現(xiàn)短距離井下的無線通信。
無線收發(fā)系統(tǒng)硬件設計
nRF905模塊簡介
nRF905是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9 V~3.6 V，工作于433MHz、868MHz、915MHz 3個ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時間小于650μs，最大數(shù)據(jù)速率為100 kbit/s。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和GFSK調(diào)制器組成。
nRF905 模塊的高頻頭用戶接口電路管腳圖如圖1所示。
圖1 nRF905模塊的高頻頭用戶接口電路管腳
nRF905模塊具有兩種工作模式和兩種節(jié)電模式。工作模式包括：ShockBurst 接收模式和ShockBurst 發(fā)射模式；節(jié)電模式包括：掉電與 SPI 編程模式、待機與SPI編程模式。
系統(tǒng)硬件設計
本無線收發(fā)電路主要由C8051F060單片機和無線射頻芯片nRF905組成。系統(tǒng)方框圖如圖2所示。
圖2 無線收發(fā)電路系統(tǒng)組成框圖
C8051F350是Silabs公司的一款精確混合信號單片機，片內(nèi)有8通道16bit的S-D型ADC、128倍PGA、電流型DAC以及VREF等模擬外設，可以方便地與溫度壓力等傳感器直接連接。使用電流型DAC對傳感器進行激勵，傳感器的輸出信號經(jīng)片內(nèi)128倍PGA放大后進行A/D轉(zhuǎn)換，無需額外的信號調(diào)理電路。片內(nèi)8K FLASH，可在線編程和改寫，傳感器的標定參數(shù)可以在FLASH中存儲，節(jié)省片外存儲器。圖3為系統(tǒng)硬件電路圖。
圖3 nRF905與MCU的電路原理圖
軟件設計
本系統(tǒng)中的無線數(shù)據(jù)傳輸主要由無線數(shù)據(jù)收發(fā)器nRF905、C8051F單片機和顯示部分組成。nRF905收發(fā)器與單片機之間通過SPI口進行通信。因此，軟件設計過程中的重點是nRF905數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。
nRF905的數(shù)據(jù)發(fā)送過程
發(fā)送數(shù)據(jù)時的工作流程如圖4所示。當MCU有遙控數(shù)據(jù)節(jié)點時，接收點的地址 (TX- address) 和有效數(shù)據(jù) (Tx- payload) 將通過SPI接口傳送給nRF905。設計時應使用協(xié)議或MCU來設置接口速度。可用MCU設置TRX-CE，并使TX- EN為高電平來激活nRF905的ShockBurst傳輸。通過nRF905的ShockBurst可使無線系統(tǒng)自動上電，并完成數(shù)據(jù)包 (應加前導碼和CRC校驗碼) 的數(shù)據(jù)碼發(fā)送。
圖4 發(fā)射數(shù)據(jù)流程
nRF905的數(shù)據(jù)接收過程
當系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)時，其接收數(shù)據(jù)流程圖如圖5所示。系統(tǒng)的工作過程如下：
首先，在650μs以后，nRF905將不斷監(jiān)測空中的信息。當nRF905發(fā)現(xiàn)有和接收頻率相同的載波時，其載波檢測 (CD) 被置為高電平；此后，當nRF905接收到有效地址時，地址匹配 (AM) 被置為高電平；當nRF905接收到有效的地址包 (CRC校驗正確) 時，nRF905將去掉前導碼、地址和CRC位，同時將數(shù)據(jù)準備就緒位 (DR)置為高電平，并用MCU設置TRX- CN為低電平，以進入standby模式，從而使MCU能夠以合適的速率通過SPI接口讀出有效的數(shù)據(jù)；當所有的數(shù)據(jù)讀出，nRF905將AM和DR設置為低電平，以便使nRF905準備進入ShockBurst RX、ShockBurst TX或Powerdown模式。
圖5 接收數(shù)據(jù)流程圖
用戶界面的設計
本軟件采用VB界面設計。將井下接收到并采集后的數(shù)據(jù)通過單片機顯示在PC機上，可以清楚地看到井下的相關數(shù)據(jù)信息。如圖6所示，是一組井下信息采集后通過無線傳輸?shù)姆绞?，將傳感器輸出的?shù)據(jù)傳輸?shù)組WD上。
圖6中通道1至通道15分別實測井參數(shù)量化臺階數(shù)轉(zhuǎn)換過后的模擬電壓值，其中包括壓力、溫度、濕度、三軸重力加速度傳感器輸出值（Gx、Gy、Gz）以及翼肋位移等等。在實際應用中可較為直觀地顯示出來。
圖6 用戶交互界面
結(jié)論
系統(tǒng)調(diào)試成功后，進行了多次數(shù)據(jù)傳輸實驗。本系統(tǒng)通過了實際數(shù)據(jù)通信實驗的驗證，運行穩(wěn)定，通信可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)100米左右的無線通信。從實驗數(shù)據(jù)可知，無線信號在井下傳輸環(huán)境下的損耗遠大于室外環(huán)境，在同等條件下，誤碼率主要與距離延伸有關。本系統(tǒng)還可以應用于點對點、點對多點通信的一些實際工作環(huán)境中。
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