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用。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
文中利用51單片機和無線數(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,，然后單片機將該發(fā)送數(shù)據(jù),，通過SPI接口發(fā)送給nRF905，nRF905將數(shù)據(jù)自動加上前導碼和CRC碼后將數(shù)據(jù)包發(fā)送,。當接收端的nRF905接收到有效數(shù)據(jù)后,，DR置高；單片機檢測到DR為高電平后,，復位TRX_CE引腳,，使nRF905進入空閑模式,，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顯示,。文中主要介紹的是51單片機軟件模擬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）、主機輸入從機輸出數(shù)據(jù)線MISO,、主機輸出／從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS,。可見SPI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，只能通過單片機的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）、主機輸入從機輸出數(shù)據(jù)線MISO,、主機輸出／從機輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機選擇線SS,。可見SPI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，只能通過單片機的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)生前導碼和CR校驗碼,，可以很容易通過SPI接口進行編程配置。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具有標準的SPI硬件接口，對于不帶SPI串行總線接口的STC89C52RC單片機來說,，可以使用軟件來模擬SPI的操作,。單片機和NRF905的對應接法是：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模擬從機選擇端CSN，由程序清零此I／O口,，使得與它通信的NRF905做從機,。采用SPI的進行數(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,，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,。除了對寄存器進行配置外,，89C52還要對nRF905的工作模式進行切換控制。
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)生前導碼和CR校驗碼,，可以很容易通過SPI接口進行編程配置。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具有標準的SPI硬件接口，對于不帶SPI串行總線接口的STC89C52RC單片機來說,，可以使用軟件來模擬SPI的操作,。單片機和NRF905的對應接法是：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模擬從機選擇端CSN，由程序清零此I／O口,，使得與它通信的NRF905做從機,。采用SPI的進行數(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,，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,。除了對寄存器進行配置外,，89C52還要對nRF905的工作模式進行切換控制。
5 電源電路設(shè)計
本系統(tǒng)使用兩個電源,，單片機STC89C52RC使用5V電源,，NRF905采用3.3V電源進行供電，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濾波進入AMSlll7-5.0，然后在輸出端接一個100μF的電容進行濾波去耦,，從而得到5 V直流電壓供單片機使用,；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STC89C52RC使用5V電源,，NRF905采用3.3V電源進行供電，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濾波進入AMSlll7-5.0，然后在輸出端接一個100μF的電容進行濾波去耦,，從而得到5 V直流電壓供單片機使用,；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,，首先進行I／O口和SPI接口初始化，然后對nRF905的寄存器進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進行顯示。
7 實驗分析
文中對其軟硬件進行了設(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)無線測試板殼應力,，在nRF905發(fā)射模塊端,，敲打板殼使之發(fā)生形變，再用應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變值,。
對于發(fā)送端,，首先進行I／O口和SPI接口初始化，然后對nRF905的寄存器進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進行顯示。
7 實驗分析
文中對其軟硬件進行了設(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)無線測試板殼應力,，在nRF905發(fā)射模塊端,，敲打板殼使之發(fā)生形變，再用應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變值,。
8 結(jié)束語
文中介紹了用SPI總線接口進行數(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,，進行了無線數(shù)據(jù)收發(fā)實驗。實驗過程是通過應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,、抗干擾能力強等優(yōu)點,。
文中介紹了用SPI總線接口進行數(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,，進行了無線數(shù)據(jù)收發(fā)實驗。實驗過程是通過應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,、抗干擾能力強等優(yōu)點,。
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