无线遥控设计——电子工程系“电创杯”竞赛论文.doc

1、 电子工程系第三届“电创杯”竞赛论文 无 线 遥 控 组号： 39 参赛队员：李国化 夏九 杨振雷 无线遥控设计 一、 总体概述 ： 本系统有六大部分组成分 PS/2 电脑键盘控制部分、双单片机控制部分、无线数字收发部分、摄相头采集部分、高频放大发射部分、电视观察接收信号图像部分。 二、 题目分析及方案论证： 本题中要求发射大于 10 米，且多通道。所以可采用高频无线数字收发模块。如 NRF 系列数字收发模块。可选用单片机给数字模块进行控制和配置寄存器，及用 SPI 给数字模块发送数据。 1 、 NRF 系列数字收发模块选择方案论证 1.1 NRF401 可以达到题目要求 所设计的无线数传模块

2、由单片射频收发芯片 nRF401、 AT89C52 微控制器和 MAX3316 接口芯片构成，工作在 433.92 434.33MHz 频段； nRF401 是北欧集成电路公司（ NORDIC）的产品，是一个为 433MHz ISM 频段设计的真正单片 UHF无线收发芯片，满足欧洲电信工业标准（ ETSI） EN300 200-1 V1.2.1。它采用 FSK 调制解调技术，最高工作速率可以达到 20K，发射功率可以调整，最大发射功 率是 +10dBm。 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（约 10 个），无需声表滤波器、变容管等昂

3、贵的元件，只需要便宜且易于获得的 4MHz 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，有两个工作频宽（ 433.92/434.33MHz） ,工作电压范围可以从 2.7-5V，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：内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部 分。发射电路包含有：射频功率放大器、锁相环（ PLL），压控振荡器（ VCO），频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器，产生电路所需的基准频率。 其主要特性如下 : 工作频率为国际通用的数传频段 FSK 调制，抗干扰能力强，

4、特别适合工业控制场合； 采用 PLL 频率合成技术，频率稳定性极好； 灵敏度高，达到 -105dBm（ nRF401）； 功耗小，接收状态 250 A，待机状态仅为 8 A（ nRF401）； 最大发射功率达 +10dBm ； 低工作电压（ 2.7V），可满足低功耗设备的要求； 具有多个频道，可方便地切换工作频率 ； 工作速率最高可达 20Kbit/s（ RF401）； 仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试； 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 1000米 (与具体使用环境及元件参数有关 )。 TX 与 RX 之间的切换 当从 RX

5、 切换到 TX 模式时 ,数据输入脚 (DIN)必须保持为高至少 1ms 才能收发数据。当从 TX 切换到 RX时，数 据输出脚（ DOUT）要至少 3ms 以后有数据输出。 Standby 与 RX 之间的切换 从待机模式到接收模式，当 PWR_UP 输入设成 1 时，经过 tSR 时间后 ,DOUT 脚输出数据才有效。对 nRF401 来说， tST 最长的时间是 3ms。 从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是 tST。 Power Up 与 TX 间的切换 从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中 TXEN 的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工

6、作状态。当由上电进 入发射模式时， TXEN 必须保持 1ms 以后才可以往DIN 发送数据。 从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据， DOUT 也不会有数据输出，直到电压稳定达到 2.7V以上，并且至少保持 5ms。如果采用外部振荡器，这个时间可以缩短到 3ms。 在实际应用中，微控制器采用 Atmel 公司的 AT89C52，分别用单片机的 P1 口各管脚控制 nRF401 的 DIN、DOUT、 TXEN、 PWRUP、 CS 这五个脚即可。 接口芯片采用美信公司的 RS232 转换芯片 MAX3316，完成单片机和计算机 RS232 接口的电平转换及数据发送、接收、请求、清除功能

7、。在 nRF401 芯片使用时，设定好工作频率，进入正常工作状态后，通过单片机根据需要进行收发转换控制，发送接收数据或进行状态转换。在设计程序时，要注意各状态转换的时延。 nRF401 的通讯速率最高为 20kbit/s，发送数据之前需将电路置于发射模式；接收模式转换为发射模式的转换时间至少为 1ms；可以发送任意长度的数据；发射模式转换为接收模式的转换时间至少为 3ms。在待机模式时，电路进入待机状态，电路不接收和发射数据。待机模式转换为发射模式的转换时间至少为4ms；待机模式转换为接收模式的转换时间至少为 5.0ms。这里给出系统和程序的工作流程图 1.2 单片射频收发器 nRF905 也

8、可达到要求 nRF905 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的单片射频收发器，工作电压为 1.9 3.6V， 32 引脚 QFN 封装 (5 由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器， ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和 CRC(循环冗余码校验 )，使用 SPI 接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以 -10dBm 的输出功率 发射时电流只有 11mA，工作于接收模式时的电流为 12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。 nRF905 适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和

9、玩具等诸多领域。 NRF905 比 NRF401 先进多了。能充分满足题目要求。 2. 芯片结构、引脚介绍及工作模式 nRF905 片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编码 /解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。 nRF905 的详细结构如图1 所示。 2.2 引脚介绍 表 1： nRF905 引脚 nRF905 有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是 ShockBurstTM 接收模式和 ShockBurstTM发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。 nRF905 的工作模式由 TRX_CE、

10、 TX_EN 和 PWR_UP三个引脚决定，详见表 2。 2.1ShockBurstTM 模式 与射频数据包有关的高速信号处理都在 nRF905 片内进行，数据速率由微控制器配置的 SPI 接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在 nRF905 中高速发送，因此中间有很长 时间的空闲，这很有利于节能。由于 nRF905 工作于 ShockBurstTM 模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。在ShockBurstTM 接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配 (AM)和数据准备好 (DR)两引脚通知微控制器。在 ShockBurstTM 发送模式，

11、 nRF905 自动产生字头和 CRC 校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知， nRF905 的 ShockBurstTM 收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了 编写程序的时间。下面具体详细分析 nRF905 的发送流程和接收流程。 2.2 发送流程 典型的 nRF905 发送流程分以下几步： 接口的速率在通信协议和器件配置时确定； B. 微控制器置高 TRX_CE 和 TX_EN，激发 nRF905 的 ShockBurstTM 发送模式； C. nRF905 的 ShockBurstTM 发送： l 数据打包 (加字头和 CRC

12、校验码 )； 2 发送数据包； 3 当数据发送完成，数据准备好引脚被置高； D. AUTO_RETRAN 被置高， nRF905 不断重发，直到 TRX_CE 被置低； E. 当 TRX_CE 被置低， nRF905 发送过程完成，自动进入空闲模式。 ShockBurstTM 工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论 TRX_EN 和 TX_EN 引脚是高或低，发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕， nRF905 才能接受下一个发送数据包。 2.3 接收流程 A. 当 TRX_CE 为高、 TX_EN 为低时， nRF905 进入 ShockBurstTM 接收模式； B. 6

13、50us 后， nRF905 不断监测，等待接收数据； C. 当 nRF905 检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高； D. 当接收到一 个相匹配的地址，地址匹配引脚被置高； E. 当一个正确的数据包接收完毕， nRF905 自动移去字头、地址和 CRC 校验位，然后把数据准备好引脚置高 F. 微控制器把 TRX_CE 置低， nRF905 进入空闲模式； G. 微控制器通过 SPI 口，以一定的速率把数据移到微控制器内； H. 当所有的数据接收完毕， nRF905 把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低； I. nRF905 此时可以进入 ShockBurstTM 接收模式、 ShockB

14、urstTM 发送模式或关机模式。 当正在接收一个数据包时， TRX_CE 或 TX_EN 引脚的 状态发生改变， nRF905 立即把其工作模式改变，数据包则丢失。当微处理器接到地址匹配引脚的信号之后，其就知道 nRF905 正在接收数据包，其可以决定是让nRF905 继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。 2.4 节能模式 nRF905 的节能模式包括关机模式和节能模式。 在关机模式， nRF905 的工作电流最小，一般为 2.5uA。进入关机模式后， nRF905 保持配置字中的内容，但不会接收或发送任何数据。 空闲模式有利于减小工作电流，其从空闲模式到发送模式或接收模式的启动时间也比

15、较短。在空闲模式下，nRF905 内部的部分晶体振荡器处于工作状态。 nRF905 在空闲模式下的工作电流跟外部晶体振荡器的频率有关。 2.5 器件配置 所有配置字都是通过 SPI 接口送给 nRF905。 SIP 接口的工作方式可通过 SPI 指令进行设置。当 nRF905 处于空闲模式或关机模式时， SPI 接口可以保持在工作状态。 2.6SPI 接口配置 SPI 接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器 5 个寄存器组成。状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息；射频配置寄存器包含收发器配置信息，如频率和输 出功能等；发送地址寄存

16、器包含接收机的地址和数据的字节数；发送数据寄存器包含待发送的数据包的信息，如字节数等；接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。 2.7 射频配置 射频配置寄存器和内容如表 3 所示： 表 3：射频配置寄存器 射频寄存器的各位的长度是固定的。然而，在 ShockBurstTM 收发过程中， TX_PAYLOAD、 RX_PAYLOAD、TX_ADDRESS 和 RX_ADDRESS 4 个寄存器使用字节数由配置字决定。 nRF905 进入关机模式或空闲模式时，寄存器中的内容保持不变。 2.8 应 用电路 nRF905 在使用中，根据不同需要，其电路图不尽相同，图 2 所示为典型的应用原理图

17、，该电路天线部分使用的是 50单端天线。在 nRF905 的电路板设计中，也可以使用环形天线，把天线布在 PCB 板上，这可减小系体积。 3. NRF2401 芯片是 2.4G 高频无线数字收发模块 nRF2401 是单片射频收发芯片，工作于 2.4 2.5GHz ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以 -5dBm 的功率发射时， 工作电流只有 10.5mA，接收时工作电流只有 18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其 DuoCeiverTM 技术使 nRF2401 可以使用同一天线，同时接收

18、两个不同频道的数据。 nRF2401 适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。 2401 无线收发一体芯片和蓝牙一样，都工作在自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。 2401 支持多点间通信，最高传输速率超过 1MBit，而且比蓝牙具有更高的传输速度。它采用方法设计，只需少量外围元件便可组成射 频收发电路。与蓝牙不同的是， nRF 2401 没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。更重要的是， nRF 2401 比蓝牙产品更便宜。所以 nRF 2401 是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。 3.1. 芯片结

19、构、引脚说明 nRF2401 内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、 GFSK 滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。 QFN24 引脚封装，外形尺寸只有 55mm。 nRF2401 的 功能模块如图 1 所示。 3.2 芯片结构 作模式工 nRF2401 有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。 nRF2401 的工作模式由 PWR_UP 、CE、 TX_EN 和 CS 三个引脚决定，详见表 2。 表 2： nRF2401 工作模式 3.3 收发模式 nRF2401 的收发模式有 ShockBur

20、stTM 收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定，具体配置将在器件配置部分详细介绍。 3.4.ShockBurstTM 收发模式 ShockBurstTM 收发模式下，使用片内的先入先出 堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速 (1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用 (低速微处理器也能进行高速射频发射 )；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。 nRF2401 的 ShockBurstTM 技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。 在 Sho

21、ckBurstTM 收发模式下， nRF2401 自动处理字头和 CRC 校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC 校验码移去。在发送数据时， 自动加上字头和 CRC 校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。 3.4.1 ShockBurstTM 发射流程 接口引脚为 CE， CLK1， DATA A. 当微控制器有数据要发送时，其把 CE 置高，使 nRF2401 工作； B. 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入 nRF2401； C. 微控制器把 CE 置低，激发 nRF2401 进行 ShockBurstTM 发射； D. nRF2401 的 ShockBu

22、rstTM 发射 给射频前端供电； 射频数据打包 (加字头、 CRC 校验码 )； 高速发射 数据包； 发射完成， nRF2401 进入空闲状态。 3.4.2 ShockBurstTM 接收流程 接口引脚 CE、 DR1、 CLK1 和 DATA(接收通道 1) A. 配置本机地址和要接收的数据包大小； B. 进入接收状态，把 CE 置高； C. 200us 后， nRF2401 进入监视状态，等待数据包的到来； D. 当接收到正确的数据包 (正确的地址和 CRC 校验码 )， nRF2401 自动把字头、地址和 CRC 校验位移去； E. nRF2401 通过把 DR1(这个引脚一般引起微控制器中断 )置高通知微控制器； F. 微控制器把数 据从 nRF2401 移出； G. 所有数据移完， nRF2401 把 DR1 置低，此时，如果 CE 为高，则等待下一个数据包，如果 CE 为低，开始其它工作流程。 3.5.1 直接收发模式 在直接收发模式下， nRF2401 如传统的射频收发器一样工作。 3.5.2 直接发送模式 接口引脚为 CE、 DATA