基于nRF401的通用智能无线收发装置
谢锦沐，吴功平，蒋锡健，祝鲁金
(武汉大学 动力与机械学院 湖北 武汉 430072)
目前，在各种仪器仪
表
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数据采集系统，遥控测控系统中都需要嵌入无线数据传输的装置，本文介绍了一种通过单片机W77E58对无线收发芯片nRF401进行智能控制的通用无线收发装置的设计方法，硬件电路的设计分为两部分:无线射频模块的设计和控制模块的设计。该装置可以通过跳线的装置选择串口为RS232标准或TTL电平标准，通过W77E58控制可以实现双信道的切换，并可实现数据流控。
1 无线射频模块的设计
在本设计中，无线射频模块采用挪威Nordic公司推出的nRF401无线收发芯片。该芯片使用433MHz ISM频段，是真正的单片UHF无线收发一体芯片，他在一个20脚的芯片中包括了高频发射、高频接收、PLL合成、
[1]FSK调制、FSK解调、多频道切换等，是目前集成度最高的无线数传产品。无线射频模块采用在板差分环形天线，天线端口的负载阻抗为380Ω，其电路原理见图1，图中列出了各外围元件的参数，其中J1口为无线射频模块与控制模块的接口。
硬件电路的设计要点如下:
(1)射频电路对于电源噪声相当敏感，必须采用星形布线的方法使数字部分和RF部分有各自的电源线路，
[2]并且应在靠近集成电路电源引脚处分别去耦。
(2)外接VCO电感应选用高频电感，Q,45，精度为2,，本设计采用深圳顺百科技有限公司的LQW18AN22NG00，电感的精度对无线通信的距离有较大的影响，也可使用精度为5,的，但通信距离会大大减小。VCO电感连线应与其他控制线保持一定的距离，应避免数字控制线从电感引脚之间经过，并且应该使VCO电感元件的中心距离nRF401的VCO1，VCO2引脚焊盘的中心5.4mm左右，电感元件的选择与布局很重要，是设计成败的关键点。
(3)在电路板的正反两面均使用大面积铺铜作为接地面，使所有的器件容易去耦，两面的铺铜应使用多个
[2]过孔相连，所有对地线层的连接必须尽量短，接地过孔应放置在非常靠近元件的焊盘处。 (4)天线的设计使用PCB板的环形天线，尺寸为35mm×20mm，天线增益为,11dB，天线阻抗为380Ω，天线应位于PCB板的顶部，天线部分不要铺铜，有关环形天线的设计可参考Nordic公司的技术文档nAN440,03和nAN400,05。
(5)如果PCB板的VCO电感设计合理，当模块处于接收状态时，nRF401的第4管脚电压为1.1?0.2V。 2 控制模块的设计
控制模块负责对无线射频模块状态切换及信道切换的控制，选用华邦单片机W77E58，控制模块的设计分为硬件电路的设计和软件的设计两部分。
2.1 硬件电路的设计
[3]W77E58速度高，工作频率可扩展到40MHz，使用与8051/52同样的晶振运行时间比8052快2.5倍，且其片内自带两个UART串口，串口0用于与外部的串口设备通信，串口1用于与无线收发模块通信，其中J6口为控制模块与无线射频模块的接口，J2口为控制模块与外部串口设备通信的接口，可以采用简单的三线通信方式，也可以加上流控信号CTS，通过TTL电平对Reset管脚的控制可以实现对智能无线数传模块的复位。J2口与外部串口设备可以以RS232或TTL电平的形式进行通信，通信形式的选择通过对接口J3、J4、J5的跳线设置，MAX232及外围的电容元件均可采用贴片器件，以缩小PCB板空间。通过P2.5，P2.6，P2.7分别对无线射频模块的待机状态与工作状态的切换，收发状态的切换、信道的切换进行控制。 2.2 软件的设计
W77E58片内自带有两个串口，其中串口0可以使用定时器T1或定时器T2作为波特率发生器;串口1只能使
[4]用定时器T1作为其波特率发生器。本设计中采用T2做为串口0的波特率发生器，采用T1做为串口1的波特率发生器，两个串口均工作在串口模式1，波特率为9600b/s，串口0占用了第4号中断，使用SCON，SBUF做为其串口控制寄存器和串口数据缓冲器;串口1则占用了第7号中断，SCON1，SBUF1做为其串口控制寄存器和串口数据缓冲器。对串口的初始化函数为init_serialport()，函数定义如下:
在无线通信的过程中，由于外部环境的干扰，通常误码率比较高，即使发射方不发送数据，接收方仍会经常接收到由于外部干扰而产生的乱数据，为了在接收的过程中区分接收到的数据是否为有效数据，必须有一定的通信
协议
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:
(1)两个串口的数据发送均采用查询方式，数据接收均使用中断方式;
(2)数据帧包括帧首和数据两部分，帧首使用双字节0x55AA，数据部分为1B，即每帧占用3B，帧首和数据部分均采用十六进制ASCII码传送，确保协议的透明性;
(3)接收方如果接收到0x55 0xAA字节，则说明接收到有效的数据帧，否则将该帧丢弃。 如果硬件电路设计合理，元器件的选择恰当，再加上以上简单的通信协议，则可将误码率控制在0.2,以下。 单片机上电后，首先对系统和串口进行初始化，然后单片机进入待机模式，直到两个串口中的一个发生中断硬转为工作模式，处理中断程序。主要的程序代码如下:
3 硬件电路的测试
本设计中将控制模块和无线射频模式分开设计，控制模块通过一单排7脚的接口控制射频模块，测试的步骤如下:
(1)将控制模块和无线射频模块焊好，检查确认无虚焊、粘焊;
(2)先对控制模块上电进行测试，主要是测试控制模块的串口0和串口1能否相互收发数据，测试方法是通过板上跳线将串口0设置为RS232标准，由于板上的串口1只有TTL电平标准，必须外加电平转换电路将其转换为RS232标准，然后将两个串口分别接到计算机的两个串口上，将以上的程序写到W77E58上，然后用串口测试软件测试，如果串口0，1能相互收发数据，便可开始对无线射频模块进行测试; (3)将无线射频模块的J1口与控制模块的J6口焊接起来，上电进行测试，按照以上的程序，上电时处于接收状态，可对TXEN，PWUP，CS等管脚进行测试，看是否与程序吻合;
(4)确认射频模块上电处于接收状态后，可测试nRF401地第4管脚是否为1.1V左右，如果是，则说明VCO电感设计合理，否则要重新设计PCB板，此外，nRF401在没有数据接收时,仍会自动从DOUT发送随机数据，使用万用表进行测试时该引脚电压应为2.5V左右[4]。如有示波器可做更详细的测试。
4 结语
由无线收发芯片nRF401、单片机W77E58、接口芯片MAX323等组成了一个智能控制无线收发装置，该装
置具有通用性，可嵌入到各种仪器仪表数据采集系统、遥控遥测系统中，实现无线数据的双向传输。
浙公网安备 33021202002483