基于SPI總線的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計
來源：中電網(wǎng)
摘要： 短程、便捷、廉價的無線通信技術(shù)正成為關(guān)注的焦點，使人們對它的需求越來越高。例如無線數(shù)據(jù)采集、無線設(shè)備管理和監(jiān)控、無線抄表以及礦井下的無線通信等都是其典型應(yīng)用。
Abstract：
Key words :
短程、便捷、廉價的無線通信技術(shù)正成為關(guān)注的焦點，使人們對它的需求越來越高。例如無線數(shù)據(jù)采集、無線設(shè)備管理和監(jiān)控、無線抄表以及礦井下的無線通信等都是其典型應(yīng)用。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
文中利用51單片機(jī)和無線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片nRF905構(gòu)成無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，給出了硬件和軟件設(shè)計方案。其數(shù)據(jù)傳輸過程是：從傳感器輸入的模擬信號經(jīng)AD采集后，將數(shù)據(jù)輸入單片機(jī)，然后單片機(jī)將該發(fā)送數(shù)據(jù)，通過SPI接口發(fā)送給nRF905，nRF905將數(shù)據(jù)自動加上前導(dǎo)碼和CRC碼后將數(shù)據(jù)包發(fā)送。當(dāng)接收端的nRF905接收到有效數(shù)據(jù)后，DR置高；單片機(jī)檢測到DR為高電平后，復(fù)位TRX_CE引腳，使nRF905進(jìn)入空閑模式，通過SPI接口從nRF905中讀出接收數(shù)據(jù)，然后通過串口在上位機(jī)顯示。文中主要介紹的是51單片機(jī)軟件模擬SPI和無線數(shù)據(jù)收發(fā)這兩個部分。圖1是該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖。
2 SPI總線
SPI（SerialPeripheralInterface串行外設(shè)接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCK）、主機(jī)輸入從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS?？梢奡PI總線只需要少數(shù)的幾根線，就可以實現(xiàn)與具有SPI總線硬件接口功能的各種器件進(jìn)行通信，并且用SPI總線接口簡化電路設(shè)計，節(jié)省許多I／O口線供其它功能使用，提高了設(shè)計的可靠性。而對于一些不具有SPI硬件接口的器件，可以用I／O口線來模擬SPI。由于nRF905射頻收發(fā)模塊是通過SPI接口由MCU控制的，而采用不具有SPI接口的單片機(jī)，只能通過單片機(jī)的I／O口來模擬SPI總線接口，實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計。這樣當(dāng)傳輸速度要求不是太高時，使用I／O口模擬SPI總線，既可以增加應(yīng)用系統(tǒng)接口器件的種類，同時還提高系統(tǒng)的性能，節(jié)約成本。
SPI（SerialPeripheralInterface串行外設(shè)接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信息。該接口一般使用4條線：串行時鐘線（SCK）、主機(jī)輸入從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出／從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS?？梢奡PI總線只需要少數(shù)的幾根線，就可以實現(xiàn)與具有SPI總線硬件接口功能的各種器件進(jìn)行通信，并且用SPI總線接口簡化電路設(shè)計，節(jié)省許多I／O口線供其它功能使用，提高了設(shè)計的可靠性。而對于一些不具有SPI硬件接口的器件，可以用I／O口線來模擬SPI。由于nRF905射頻收發(fā)模塊是通過SPI接口由MCU控制的，而采用不具有SPI接口的單片機(jī)，只能通過單片機(jī)的I／O口來模擬SPI總線接口，實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的設(shè)計。這樣當(dāng)傳輸速度要求不是太高時，使用I／O口模擬SPI總線，既可以增加應(yīng)用系統(tǒng)接口器件的種類，同時還提高系統(tǒng)的性能，節(jié)約成本。
3 nRF905無線收發(fā)芯片
nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓1.9～3.6V，工作于433／868／915MHz這3個ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時間<650μs，最大數(shù)據(jù)速率為100kbit／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。自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CR校驗碼，可以很容易通過SPI接口進(jìn)行編程配置。外圍器件連接簡單，無需外部SAw濾波器。nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstTM發(fā)送模式和ShockBurst RM接收模式，兩種節(jié)能模式分別是掉電和SPI編程模式，Standby和SPI編程模式。nRF905的工作模式由TRX_CE，TX_EN，PWR_UP這3個引腳的設(shè)置來決定。
4 nRF905和STC89C52RC的硬件連接電路
nRF905具有標(biāo)準(zhǔn)的SPI硬件接口，對于不帶SPI串行總線接口的STC89C52RC單片機(jī)來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作。單片機(jī)和NRF905的對應(yīng)接法是：P1.6接MISO，P1.5口接MOSI，Pl.7口接SCIOCK，P1.3接CSN。選用單片機(jī)的P1.5模擬數(shù)據(jù)輸出端MOSI；Pl.6模擬數(shù)據(jù)輸入端MISOP1.7模擬SCK的輸出端；P1.3模擬從機(jī)選擇端CSN，由程序清零此I／O口，使得與它通信的NRF905做從機(jī)。采用SPI的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，在SCK的每個下降沿將89C52配置NRF905的命令和數(shù)據(jù)通過MOSI引腳移入，在SCK的每個上升沿將欲傳給89C52的數(shù)據(jù)從MISO引腳移出。所以，這里將串行時鐘輸出口P1.7的初始狀態(tài)設(shè)置為低電平，選通從機(jī)，即P1.3=0低電平后，再置P1.1為高電平。這樣，89C52在輸出1位SCK時鐘的同時，將使NRF905中數(shù)據(jù)串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至89C52的P1.6口，此后再置P1.7為0，使89C52從P1.5輸出1位數(shù)據(jù)至NRF905，至此結(jié)束了模擬1位數(shù)據(jù)的傳輸。按上述步驟循環(huán)8次，即完成通過SPI總線傳輸1bit的操作。nRF905有5個內(nèi)部寄存器，分別是狀態(tài)寄存器、RF配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器，這5個寄存器都是通過89C52軟件模擬的SPI接口來配置的。除了對寄存器進(jìn)行配置外，89C52還要對nRF905的工作模式進(jìn)行切換控制。
nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓1.9～3.6V，工作于433／868／915MHz這3個ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時間<650μs，最大數(shù)據(jù)速率為100kbit／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。自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CR校驗碼，可以很容易通過SPI接口進(jìn)行編程配置。外圍器件連接簡單，無需外部SAw濾波器。nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstTM發(fā)送模式和ShockBurst RM接收模式，兩種節(jié)能模式分別是掉電和SPI編程模式，Standby和SPI編程模式。nRF905的工作模式由TRX_CE，TX_EN，PWR_UP這3個引腳的設(shè)置來決定。
4 nRF905和STC89C52RC的硬件連接電路
nRF905具有標(biāo)準(zhǔn)的SPI硬件接口，對于不帶SPI串行總線接口的STC89C52RC單片機(jī)來說，可以使用軟件來模擬SPI的操作。單片機(jī)和NRF905的對應(yīng)接法是：P1.6接MISO，P1.5口接MOSI，Pl.7口接SCIOCK，P1.3接CSN。選用單片機(jī)的P1.5模擬數(shù)據(jù)輸出端MOSI；Pl.6模擬數(shù)據(jù)輸入端MISOP1.7模擬SCK的輸出端；P1.3模擬從機(jī)選擇端CSN，由程序清零此I／O口，使得與它通信的NRF905做從機(jī)。采用SPI的進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送時，在SCK的每個下降沿將89C52配置NRF905的命令和數(shù)據(jù)通過MOSI引腳移入，在SCK的每個上升沿將欲傳給89C52的數(shù)據(jù)從MISO引腳移出。所以，這里將串行時鐘輸出口P1.7的初始狀態(tài)設(shè)置為低電平，選通從機(jī)，即P1.3=0低電平后，再置P1.1為高電平。這樣，89C52在輸出1位SCK時鐘的同時，將使NRF905中數(shù)據(jù)串行左移，從而輸出1位數(shù)據(jù)至89C52的P1.6口，此后再置P1.7為0，使89C52從P1.5輸出1位數(shù)據(jù)至NRF905，至此結(jié)束了模擬1位數(shù)據(jù)的傳輸。按上述步驟循環(huán)8次，即完成通過SPI總線傳輸1bit的操作。nRF905有5個內(nèi)部寄存器，分別是狀態(tài)寄存器、RF配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器，這5個寄存器都是通過89C52軟件模擬的SPI接口來配置的。除了對寄存器進(jìn)行配置外，89C52還要對nRF905的工作模式進(jìn)行切換控制。
5 電源電路設(shè)計
本系統(tǒng)使用兩個電源，單片機(jī)STC89C52RC使用5V電源，NRF905采用3.3V電源進(jìn)行供電，然后把STC89C52RC和NRF905共地，否則會出現(xiàn)無法傳輸數(shù)據(jù)。其中轉(zhuǎn)換芯片分別使用AMSlll7-5.0轉(zhuǎn)5V芯片和AMSl117-3.3轉(zhuǎn)3.3 V芯片電路圖，如圖3所示。電源電路使用220 V的交流電適配器輸出的9 V直流，經(jīng)C1濾波進(jìn)入AMSlll7-5.0，然后在輸出端接一個100μF的電容進(jìn)行濾波去耦，從而得到5 V直流電壓供單片機(jī)使用；然后5 V電壓接入下一級AMSlll7-3.3電源轉(zhuǎn)換芯片，輸出3.3 V供NRF905使用。
本系統(tǒng)使用兩個電源，單片機(jī)STC89C52RC使用5V電源，NRF905采用3.3V電源進(jìn)行供電，然后把STC89C52RC和NRF905共地，否則會出現(xiàn)無法傳輸數(shù)據(jù)。其中轉(zhuǎn)換芯片分別使用AMSlll7-5.0轉(zhuǎn)5V芯片和AMSl117-3.3轉(zhuǎn)3.3 V芯片電路圖，如圖3所示。電源電路使用220 V的交流電適配器輸出的9 V直流，經(jīng)C1濾波進(jìn)入AMSlll7-5.0，然后在輸出端接一個100μF的電容進(jìn)行濾波去耦，從而得到5 V直流電壓供單片機(jī)使用；然后5 V電壓接入下一級AMSlll7-3.3電源轉(zhuǎn)換芯片，輸出3.3 V供NRF905使用。
6 軟件設(shè)計的C語言實現(xiàn)
對于發(fā)送端，首先進(jìn)行I／O口和SPI接口初始化，然后對nRF905的寄存器進(jìn)行配置并且初始化各個接口，經(jīng)過初始化，處理完采集好的數(shù)據(jù)，設(shè)置nRF905為發(fā)送模式，調(diào)用發(fā)送代碼，延時一段時間，等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢；同理在接收端也執(zhí)行相同的初始化，不同的只是初始化完畢后，把nRF905模塊設(shè)置成接收模式，然后調(diào)用接收程序。最后通過串口在上位機(jī)進(jìn)行顯示。
7 實驗分析
文中對其軟硬件進(jìn)行了設(shè)計和調(diào)試，構(gòu)建了基于SPI無線通信系統(tǒng)平臺。實驗證明，通過該系統(tǒng)無線測試板殼應(yīng)力，在nRF905發(fā)射模塊端，敲打板殼使之發(fā)生形變，再用應(yīng)變儀傳感器測得其形變的電壓值，在數(shù)據(jù)發(fā)射之前對此模擬信號進(jìn)行AD采集，并通過無線發(fā)射模塊把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)射出去；同時先在離發(fā)射模塊相距50m的位置放置一個接收模塊，接收發(fā)射數(shù)據(jù)并顯示。然后間距每進(jìn)行一次實驗后增加50m。以此判斷它們在保證信號傳輸穩(wěn)定情況下的最遠(yuǎn)傳輸距離。測得最佳結(jié)果在相距350m以內(nèi)的樓宇之間，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。超過350 m時，數(shù)據(jù)顯示出現(xiàn)時顯時無的現(xiàn)象。表1是在300 m左右實際測得的幾組應(yīng)變值。
對于發(fā)送端，首先進(jìn)行I／O口和SPI接口初始化，然后對nRF905的寄存器進(jìn)行配置并且初始化各個接口，經(jīng)過初始化，處理完采集好的數(shù)據(jù)，設(shè)置nRF905為發(fā)送模式，調(diào)用發(fā)送代碼，延時一段時間，等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢；同理在接收端也執(zhí)行相同的初始化，不同的只是初始化完畢后，把nRF905模塊設(shè)置成接收模式，然后調(diào)用接收程序。最后通過串口在上位機(jī)進(jìn)行顯示。
7 實驗分析
文中對其軟硬件進(jìn)行了設(shè)計和調(diào)試，構(gòu)建了基于SPI無線通信系統(tǒng)平臺。實驗證明，通過該系統(tǒng)無線測試板殼應(yīng)力，在nRF905發(fā)射模塊端，敲打板殼使之發(fā)生形變，再用應(yīng)變儀傳感器測得其形變的電壓值，在數(shù)據(jù)發(fā)射之前對此模擬信號進(jìn)行AD采集，并通過無線發(fā)射模塊把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)射出去；同時先在離發(fā)射模塊相距50m的位置放置一個接收模塊，接收發(fā)射數(shù)據(jù)并顯示。然后間距每進(jìn)行一次實驗后增加50m。以此判斷它們在保證信號傳輸穩(wěn)定情況下的最遠(yuǎn)傳輸距離。測得最佳結(jié)果在相距350m以內(nèi)的樓宇之間，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定。超過350 m時，數(shù)據(jù)顯示出現(xiàn)時顯時無的現(xiàn)象。表1是在300 m左右實際測得的幾組應(yīng)變值。
8 結(jié)束語
文中介紹了用SPI總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法，采用nRF905射頻收發(fā)芯片和STC89C52RC單片機(jī)設(shè)計了無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，完成硬件電路和系統(tǒng)軟件調(diào)試后，進(jìn)行了無線數(shù)據(jù)收發(fā)實驗。實驗過程是通過應(yīng)變儀傳感器測板殼形變得到的模擬信號，經(jīng)AD采集后產(chǎn)生要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后對其進(jìn)行發(fā)射、接收和顯示。實驗結(jié)果表明，在相距350m的樓宇之間通信，該無線傳輸系統(tǒng)工作穩(wěn)定，接收和發(fā)射的數(shù)據(jù)完全相同，這表明該系統(tǒng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，具有高速、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。
文中介紹了用SPI總線接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法，采用nRF905射頻收發(fā)芯片和STC89C52RC單片機(jī)設(shè)計了無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，完成硬件電路和系統(tǒng)軟件調(diào)試后，進(jìn)行了無線數(shù)據(jù)收發(fā)實驗。實驗過程是通過應(yīng)變儀傳感器測板殼形變得到的模擬信號，經(jīng)AD采集后產(chǎn)生要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后對其進(jìn)行發(fā)射、接收和顯示。實驗結(jié)果表明，在相距350m的樓宇之間通信，該無線傳輸系統(tǒng)工作穩(wěn)定，接收和發(fā)射的數(shù)據(jù)完全相同，這表明該系統(tǒng)能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，具有高速、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。
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