基于nrf2401短距离无线通信系统硬件电路的设计

基于nrf2401短距离无线通信系统硬件电路的设计内容摘要：

动态速率转换，当射频情况变差时，可将数据传输速率降低为 ，2Mbps 和 1Mbps，且当工作在 2Mbps 和 1Mbps 速率时可向下兼容。 的使用范围 在室外为 300 米，在办公室环境中则最长为 100 米，适用与以太网类似的连接协议和数据包确认，来提供可靠的数据传送和网络带宽的有效使用。 基本分为两种 ： 点对点模式和基本模式，点对点模式是指无线网卡和无线网卡之间的通信方式 ； 基本模式是指无线网络规模扩充或无线和有线网络并存时的通信方式，这是。 ，不过目前还远没有成熟，存在着不少问题，如芯片与设备昂贵，空中接力特性不好，点对 点连接不经济，也不适合小型设备等。 HomeRF 标准 家庭无线电射频 (HomeRF)是 HomeRF 工作组专门为家庭无线局域网而设计的开发性工业标准，其目标是要在家庭区域范围内的任何地方，在个人电脑和家用电子设备之间实现无线数字通信的开放性工业标准。 HomeRF是 与无绳电话技术 DECT (Digital Enhanced Cordless Telemunications)的结合，使用这种技术能降低语音数据成本。 它使用开放的 2. 4GHz频段，采用跳频扩谱 (FHSS)技术，跳频 速率为 50跳 /秒，共有 75个带宽为1MHz的跳频信道。 调制方式为恒定包络的频移键控 FSK调制，分为 2FSK与 4FSK两种，采用调频调制可以有效地抑制无线环境下的干扰和衰落。 2FSK方式下，最大数据的传输速率为 1Mbps； 4FSK方式下，速率可达 2Mbps。 新的 HomeRF WBFH (Wide Band Frequency Hopping，宽带调频 )技术来增加跳频带宽，由原来的 1MHz 跳频信道增加到3MHz， 5MHz，跳频的速率也增加到 75跳 /秒，数据峰值达到 l0Mbps。 HomeRF把共 享无线接入协议 (SWAP)作为未来家庭联网的技术指标，基于该协议的网络是对等网，因此该协议主要针对家庭无线局域网。 其数据通信采用简化的 协议标准，沿用类似与以太网技术中的冲突检测的载波监听多址技术。 语音通信采用 DECT标准，使用 TDMA时分多址技术。 不过由于 HomeRF技术没有公开，目前在抗干扰等方面相对应其他技术而言 尚 有欠缺，因此没有广泛的应用前景。 红外 (IrDA)技术 红外技术可以说是无线连接技术的鼻祖，由红外数据协会 (IrDA—Infrared Data Association)提出并推行的一种无线协议，这种通信方式使用 850nm的红外光来传输数据和语音。 新制定的超高红外 (VFIR)标准传输速率为 16Mpbs，相比传统版本 FIR 的 4Mbps 快了 4倍，接收角度也由原来的 30度扩展到 120度，并且其硬件及相应软件技术都己比较成熟。 中南大学学士 学位 论文 第 1章 绪论 3 该技术的主要优点是无需专门申请特定频率的使用执照。 这一点，在当前频率资源匾乏，频道使用费增加的背景下是比较重要的。 并且它还具有移动通信设备所必需的体积小，功率低的优点。 IrDA的数据传输速率比较高，而且由于采用点到点的连接，数据传输所受到的干扰较少。 就 目前而言，无论是技术成熟度还是普及度，都是其他新兴的无线连接技术所无法相比的，现在全球采用 IrDA 技术的设备已经超过了 5000 万部。 并且仍然每年以50%速度增长。 但 IrDA也有其明显的缺点，首先，它只能实现点对点的连接，无法实现点对多点的连接，也即它只限于在 2台设备之间进行链接 ； 其次， IrDA是一种视距传输技术，中间不能有阻挡物，同时要求通信设备的位置相对固定，无法用于移动设备 ； 最后， IrDA设备的核心部件 —红外线 LED是一种不耐用的器件，频繁使用会令其使用寿命大大缩短。 蓝牙技术标准 蓝牙 (Bluetooth) [3,4,5]是一种近距离无线通信技术规范，用来描述和规定各种信息电子产品 (包括通信产品、计算机产品和消费电子产品 )相互之间是如何用短距离无线电系统进行连接的，替代电缆是蓝牙技术最根本的应用特征，从应用角度来讲，它与日前广泛应用于微波通信中的多址技术十分相似，它很容易穿过障碍物，实现全方位的语音与数据传输。 主要优点是 ： 可以随时随地用无线接口来代替有线电缆连接 ； 具有很强的移植性，可应用于多种通信场合；功耗低，对人体危害小 ； 蓝牙集成电路应用简单，成本低廉，实现容易，易于推广等。 蓝 牙使用 ，采用时分双工传输和跳频扩频 (FHSS)调制技术来实现全双工传输，在发射带宽为 1MHz 时，其有效数据数率为 721kbps，有时也可达到 1Mbps。 跳频是蓝牙使用的关键技术，蓝牙以 ，得到 79个 1MHz带宽的信道，对应于单时隙分组，蓝牙的跳频速率为 1600 跳 /秒 ； 对应于多时隙包，跳频速率有所降低，但在建立链路时则提高为 3200 跳 /秒。 ISM 频段是对所有无线电系统都开放的频段，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源，由于使用比较高的跳频速率，蓝牙系统具有较其他 通信技术更强的抗干扰能力。 蓝牙支持点对点和点到多点的连接，蓝牙最基本的网络组成是匹克网。 匹克网由主设备单元和从设备单元构成。 主设备单元负责提供时钟同步信号和跳频序列，而从设备单元一般是受控同步的设备单元，并接受主设备单元的控制。 在同一匹克网中，所有设备单元均采用同一跳频序列。 一个匹克网中一般只有一个主设备单元，而从设备单元目前最多可以有 7 个。 一个匹克网中的从设备同时还可作为另一个匹克网的主设备，以此方式进行网络拓展，几个匹克网连接在一起，称为 scatter(散射网 )，形成灵活的多重匹克网的拓扑结构，并靠跳频顺序识别每个匹克网。 从而实现各类设备之间的快速通信。 由于蓝牙技术独立于不同的操作系统和通信协议之外，可以移植到许多应用领域，因中南大学学士 学位 论文 第 1章 绪论 4 而应用场合很普遍。 蓝牙力求与不同的操作系统和通信协议有良好的接口，从而保证一定的兼容性。 蓝牙技术适用于任何数据、图像、声音等短距离通信场合，包括蜂窝电话、 PDA、计算机外设、设备仪器等各种设备上数据无线通信。 几种无线技术的比较 表 11 四种无线技术比较数据 对比规格 家用射频 (HomeRF) 红外 (IrDA) 蓝牙 (Bluetooth) 无线传输媒介 电波 电波 红外光 传输数率(Mbit/s) DSSS： 11 FHSS： 1或 2 2FSK： 1～ 2 ， 4， 16 THSS： 1 数据 /语音支持 数据，语音很弱 语音和数据 只支持数据 语音和数据 传输距离 25~100m 50m 20cm~ 10~100m 移动能力 好 好 差 极佳 方向性 全向 (360。 ，中间可有障碍 ) 全向 (360。 ，中间可有障碍 ) 窄角 (30。 ，中间可有障碍 ) 全向 (360。 ，中间可有障碍 ) 目前参考成本 100~200美元 100~200美元 5 美元 20美元 功率 100mW 100mW \ 0～ 100mW 传输方式 点到点，点到 多点 点到点，点到 多点 点到点 点到点，点到多点 组要用途 企业无线局 域网 家庭中的各种家电设备之间的连接 透明可见范围内的数据传输，近距离遥控 适用于任何以无线传输方式替代有线连接的场合 综上所述，各种无线技术都有各自的优点和不足，不同的技术适合于不同的用户。 ，主要适用于大型办公室或企业集团，是一种用来对大文件进行带宽占用以及突发性的信息传输要求，或者用来保持因特网和专用网不间断连接的无线局域网技术，其实现成本较高。 在家庭无线应用上， HomeRF 无可非议，其专为家庭用户设计，对流媒体提供了真正意义上的支持，目前 HomeRF 只能通过 PC 卡的形式实现，尚无法 像 蓝牙那样利用模块或芯片实现，因而成本比蓝牙高。 在近距离 10米内，以无线方式替代线缆的应用场合，蓝牙与 IrDA 有很大的优势， IrDA 技术成熟，数据传输速率比蓝牙高，但 IrDA属视距技术，并且无法满足设备之间相互移动的要求。 蓝牙最初的提出和今后的发展方向都是以低成本为目的，非常适合应用于低成本近距离无线传输场合。 四中南大学学士 学位 论文 第 1章 绪论 5 种无线技术的具体对比数据，如表 11所示。 可以看出，各种标准都是根据不同的使用场合，不同的用户需求而制定的。 有的是为了增加带宽和传输距离，有的则是考虑移动性和经济性。 因此我们应视实际需求选择一种合适的无线技术。 本文的主要工作 和论文的安排 随着技术的发展，在进行短距离无线通信时，现已有多种技术方案可供选择。 如蓝牙，802. 11b，但各有特点和应用场合。 在一些如无线抄表、无线点菜等低成本应用场合， HomeRF或 较高的成本和复杂的开发过程限制了其应用。 蓝牙是一个非常复杂的体系，完整实现蓝牙技术协议体系的芯片接口复杂，并且昂贵。 Nordic的 nRF2401是简化了蓝牙协议的无线收发芯片，在实现短距离无线通信上成本低廉，开发周期短。 由于其较低的价格、简单的开发，在低成本应用场合显示了独特的优势。 本文的具体工作如下 ： 1. 本文首先介绍了现有的一些短距离无线数据通信技术的特点和应用。 2. 分析了短距离无线通信系统的要求，即通信距离在 25米左右（室内），具有无线抄表的功能和数据通信的功能，实现上位机与下位机的双工通信。 3. 基于前面的需求分析，设计了一个点对点的数据传输系统，给出了系统的构成框图并分析了其工作原理。 在比较了现有的几种短距离无线数据通信技术的特点后，决定 采用Nordic 公司的 nRF2401 芯片和 ATMEL公司的单片机 AT89C51RB2。 nRF2401 及一些外围元件组成其无线收发模块 ， AT89C51RB2 为其控制模块。 文中详细介绍了采用的主要芯片的结构和原理，并对硬件系统的各个组成部分分别进行了剖析，还详细描述了 nRF2401的配置， 收 /发 原理，及 AT89C51RB2 和 nRF2401 之间的 SPI 接口。 简要地阐述了单片机和nRF2401的程序设计。 4. 提出了 PCB制板时，应该注意的问题，给出了解决问题的措施。 5. 为改善本系统的性能，提高无线传输的速率，给出了单片机 AT89C51RB2与计算机之间的 USB接口设计，并对 USB100接口时序进行了分析，为软件设计打下了基础。 本文的安排 ： 第 1章介绍了现有的一些短距离无线数据通信技术的特点和应用。 第 2章分析了短距离无线通信系统。 根据系统需求，选择了无线收发一体芯片 nRF2401和 AT89C51RB2，详细分析了这些芯片的功能。 第 3 章给出了无线短距离通信系统的硬件设计。 分别具体讲解了各个部分的元件、功能和设计图。 第 4章给出了无线短距离通信系统的软件设计。 第 5章 介绍 将数字电路和模拟电路分别制作两块 PCB板上。 本章分析了在制板时容易中南大学学士 学位 论文 第 1章 绪论 6 碰到的问题，讨论了解决方案 并给出了调试过程中的一些方法。 第 6章给出了系统的改进设计。 为了充 分利用 nRF2401的高速率，和计算机的连接可以采用 USB 接口，这个方案可以采用 USB100 芯片。 本章给出了使用 AT89C51RB2 和USB100芯片的系统设计。 第 7章对本文工作加以总结，并提出新的设想， 为论文的进一步研究指明了方向。 中南大学学士 学位 论文 第 2章 短距离无线数据传输系统设计 7 第 2 章 短距离无线数据传输系统设计 系统分析 本次设计中，我们需要建立一个在一定范围中使用的小型无线网络通信系统，要求通信距离在 25米左右，具有无线抄表的功能和数据通信的功能。 一个典型的无线网络通信系统如图 2l 所示。 图 21 典型无线网络通信系统示意图 微机将数据传给单片机控制系统，然后单片机把数据传给射频部分发射出去，同时还要能够接受数据。 系统硬件选择 射频收发芯片 nRF2401 由于无线收发芯片的种类很多，如表 2l。 如何在设计中选择所需要的芯片非常关键。 正确的选择可以使开发工作少走弯路，以下几点是在选择芯片时注意的问题。 1) 收发芯片数据传输的编码方式 采用曼彻斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经验，需要更多的内存和程序容量，并且曼彻斯特编 码大大降低数据传输的效。