基于單片機(jī)控制的射頻通信基站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸是一個(gè)重要的研究內(nèi)容。目前有線通信技術(shù)始終是市場(chǎng)的主流，這也是在空間區(qū)域不能自由布線的最大瓶頸，而無線通信技術(shù)是該問題一個(gè)很好的通信方案。以成品的無線通信芯片作為通信媒介更能解決基礎(chǔ)硬件搭建調(diào)試及后期維護(hù)的難度。本文采用同類產(chǎn)品中性價(jià)比較高的芯片NRF24L01，配合簡單外圍電路和降低芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制，很好地解決了這一問題。

本文的控制部件選用AT89C51型單片機(jī)。由于這種芯片只有SPI 通信接口，而目前常用的單片機(jī)都沒有這種接口，因此需要對(duì)該芯片的通信時(shí)序進(jìn)行模擬，所以在控制器里編程時(shí)要嚴(yán)格按照芯片工作時(shí)序進(jìn)行。

1 系統(tǒng)硬件組成

NRF24L01芯片是具有2.4GHz內(nèi)嵌基帶通信協(xié)議引擎功能的收發(fā)芯片。通過SPI接口對(duì)芯片內(nèi)部寄存器映射操作，可以使其在空中的傳輸速度最大達(dá)到2 Mb/ s。

該芯片主要特點(diǎn)包括GFSK調(diào)制技術(shù)：126RF頻道滿足多點(diǎn)通信需要1~ 2 Mb/ s空中數(shù)據(jù)傳輸速率內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信地址控制：發(fā)送方電源可以通過編程輸出0 dBm，-6dBm，-12dBm，-18dBm：芯片可以通過軟件設(shè)置地址，確保通過地址認(rèn)證雙方才能通信： 接收方采用集成通道過濾器，可編程的增益設(shè)置：主機(jī)接口采用4根SPI硬件接口線，最大8Mb/ s傳輸速率，3個(gè)32字節(jié)的TX與RX的FIFO寄存器，5V容抗輸入。

該芯片引腳功能如圖1所示，引腳1為CE數(shù)字信號(hào)輸入，引腳2為CSN數(shù)字信號(hào)輸入，引腳3為SCK數(shù)字信號(hào)輸入，引腳4為MOSI數(shù)字信號(hào)輸入，引腳5為MISO數(shù)字信號(hào)輸出，引腳6 為IRQ數(shù)字信號(hào)輸，引腳7，15， 18為VDD電源，引腳8，14，17為VSS電源，引腳9為XC2模擬輸出，引腳10為XC1模擬輸入，引腳11為VDD_PA電源輸出，引腳12為ANT1射頻，引腳13為ANT2射頻，引腳16為IREF模擬輸入，引腳19為DVDD電源，引腳20為VSS 電源。

在硬件搭建時(shí)特別要注意在SPI接口與51單片機(jī)的P0引腳相接時(shí)需要接10kΩ的上拉電阻，其余的接口不需要。VCC引腳接入電壓范圍為1. 9~ 3. 6 V，不能在這個(gè)區(qū)間之外，超過3.6V將會(huì)燒毀模塊，推薦電壓3.3V。因?yàn)檫@樣可以直接和NRF24L01模塊的I/ O口線連接。如果是其他系列的單片機(jī)，其電源是5V，單片機(jī)I/O口輸出電流如果超過10 mA時(shí)需要串聯(lián)電阻分壓，否則容易燒毀模塊。例如AVR系列單片機(jī)電源是5V，需串接2 kΩ的電阻。

圖1 NRF2401 芯片引腳功能圖。

1.2 NRF24L01芯片構(gòu)成的通信模塊電路設(shè)計(jì)

NRF24L01芯片通信模塊電路核心器件NRF24L01配合網(wǎng)絡(luò)晶振、解耦電容、偏極電阻一起工作構(gòu)造穩(wěn)定射頻通信模塊。該芯片是貼片結(jié)構(gòu)，模塊占用空間少，如圖2所示。

圖2由NRF24L01 芯片構(gòu)成的通信模塊電路圖。

1.3電源電路

電源電路如圖3 所示， B1是9V蓄電池或者鋰電池， 能夠反復(fù)充電。C1，C2,C3，C4 都是濾波電容， 起到一次與二次濾波作用。D1，D2是穩(wěn)壓二極管，使輸出端的電壓穩(wěn)定在理想的水平電壓。芯片7805是三端穩(wěn)壓集成電路芯片，具有正電壓輸出。其電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管等保護(hù)電路，最終目的把9V電源轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定5V輸出，為后續(xù)設(shè)備供電。

1.4系統(tǒng)通信電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)通信電路如圖4所示。本電路中應(yīng)用單片機(jī)AT89C51作為控制芯片，對(duì)NRF24L01主通信模塊的接口時(shí)序模擬和對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收進(jìn)行處理。

圖3電源電路圖。

圖4系統(tǒng)通信電路圖。

1.5 與PC機(jī)通訊電路設(shè)計(jì)

如果單片機(jī)通信電路與單片機(jī)通信電路通信，則兩個(gè)硬件電路和圖4相同，只是在軟件設(shè)計(jì)時(shí)需在每個(gè)通信端設(shè)定不同的通信地址，以辨認(rèn)每個(gè)通信端口。若是單片機(jī)通信電路與PC機(jī)或者具有COM口的設(shè)備電路通信，則需要一個(gè)轉(zhuǎn)接電路，其硬件電路如圖5所示。

圖5 SPI 接口與MAX232 通信硬件電路圖。

在圖5所示的電路中，單片機(jī)左側(cè)是一塊MAX232芯片，其作用是將PC機(jī)中的232電平與單片機(jī)的TTL電平匹配。最左側(cè)是9芯母接頭，在使用時(shí)可接在計(jì)算機(jī)COM口上與計(jì)算機(jī)通信。單片機(jī)右側(cè)接一塊射頻通信模塊。由于此塊單片機(jī)同樣沒有SPI接口，所以需要用普通接口軟件模擬SPI接口，其編程要嚴(yán)格按SPI端口的通信邏輯時(shí)序。

2 單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)算法

通信芯片可以工作在四種模式下，即: 配置模式、空閑模式、關(guān)機(jī)模式和收發(fā)模式。工作模式由PWR_U Pregister、PRIM_RX register 和CE三個(gè)寄存器共同決定。在工作模式的收發(fā)模式中推薦使用EnhancedSho ckBurst 收發(fā)模式，因?yàn)樵谶@種工作模式下，系統(tǒng)的程序編制會(huì)更加簡單，并且穩(wěn)定性也會(huì)更高。兩種算法流程圖如圖6所示。

圖6 發(fā)射流程與接收流程。

3 結(jié)語

(1) 提出基于射頻的無線通信技術(shù)方案，并且按照該方案搭建硬件電路。

(2) 設(shè)計(jì)單片機(jī)控制算法，在PC機(jī)中編好上位機(jī)軟件，執(zhí)行機(jī)構(gòu)能迅速執(zhí)行預(yù)定結(jié)果， 反應(yīng)時(shí)間小于1 ms。

(3) 在執(zhí)行機(jī)構(gòu)遇到障礙時(shí)，能返回準(zhǔn)確命令，使上位機(jī)捕捉到相應(yīng)信息，直接反映雙向通信效果好。

(4) 系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，數(shù)據(jù)傳輸丟失率很小，低于0.01%。

(5) 芯片互換性好，可根據(jù)不同傳輸距離選擇不同芯片，軟件不需改動(dòng)。