基于SPI總線的無線數據傳輸系統(tǒng)設計
來源：中電網
摘要： 短程、便捷、廉價的無線通信技術正成為關注的焦點，使人們對它的需求越來越高。例如無線數據采集、無線設備管理和監(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正成為關注的焦點，使人們對它的需求越來越高。例如無線數據采集、無線設備管理和監(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)總體結構
文中利用51單片機和無線數據收發(fā)芯片nRF905構成無線數據傳輸系統(tǒng)，給出了硬件和軟件設計方案。其數據傳輸過程是：從傳感器輸入的模擬信號經AD采集后，將數據輸入單片機，然后單片機將該發(fā)送數據，通過SPI接口發(fā)送給nRF905，nRF905將數據自動加上前導碼和CRC碼后將數據包發(fā)送。當接收端的nRF905接收到有效數據后，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中讀出接收數據，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和無線數據收發(fā)這兩個部分。圖1是該系統(tǒng)的總體結構框圖。
2 SPI總線
SPI（SerialPeripheralInterface串行外設接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設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據線MISO、主機輸出／從機輸入數據線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計，節(jié)省許多I／O口線供其它功能使用，提高了設計的可靠性。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串行外設接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設接口，它可以使MCU與各種外圍設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據線MISO、主機輸出／從機輸入數據線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計，節(jié)省許多I／O口線供其它功能使用，提高了設計的可靠性。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，頻道轉換時間<650μs，最大數據速率為100kbit／s。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和GFSK調制器組成。自動產生前導碼和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模擬數據輸出端MOSI；Pl.6模擬數據輸入端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的進行數據傳送時，在SCK的每個下降沿將89C52配置NRF905的命令和數據通過MOSI引腳移入，在SCK的每個上升沿將欲傳給89C52的數據從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中數據串行左移，從而輸出1位數據至89C52的P1.6口，此后再置P1.7為0，使89C52從P1.5輸出1位數據至NRF905，至此結束了模擬1位數據的傳輸。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)送數據寄存器和接收數據寄存器，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，頻道轉換時間<650μs，最大數據速率為100kbit／s。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和GFSK調制器組成。自動產生前導碼和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模擬數據輸出端MOSI；Pl.6模擬數據輸入端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的進行數據傳送時，在SCK的每個下降沿將89C52配置NRF905的命令和數據通過MOSI引腳移入，在SCK的每個上升沿將欲傳給89C52的數據從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中數據串行左移，從而輸出1位數據至89C52的P1.6口，此后再置P1.7為0，使89C52從P1.5輸出1位數據至NRF905，至此結束了模擬1位數據的傳輸。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)送數據寄存器和接收數據寄存器，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)無法傳輸數據。其中轉換芯片分別使用AMSlll7-5.0轉5V芯片和AMSl117-3.3轉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)無法傳輸數據。其中轉換芯片分別使用AMSlll7-5.0轉5V芯片和AMSl117-3.3轉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電源轉換芯片，輸出3.3 V供NRF905使用。
6 軟件設計的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，經過初始化，處理完采集好的數據，設置nRF905為發(fā)送模式，調用發(fā)送代碼，延時一段時間，等待數據發(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模塊設置成接收模式，然后調用接收程序。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計和調試，構建了基于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，在數據發(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據發(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)射數據并顯示。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。測得最佳結果在相距350m以內的樓宇之間，數據傳輸穩(wěn)定。超過350 m時，數據顯示出現(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，經過初始化，處理完采集好的數據，設置nRF905為發(fā)送模式，調用發(fā)送代碼，延時一段時間，等待數據發(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模塊設置成接收模式，然后調用接收程序。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計和調試，構建了基于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，在數據發(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據發(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)射數據并顯示。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。測得最佳結果在相距350m以內的樓宇之間，數據傳輸穩(wěn)定。超過350 m時，數據顯示出現(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 結束語
文中介紹了用SPI總線接口進行數據傳輸的實現(xiàn)方法，采用nRF905射頻收發(fā)芯片和STC89C52RC單片機設計了無線數據傳輸系統(tǒng)，完成硬件電路和系統(tǒng)軟件調試后，進行了無線數據收發(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AD采集后產生要發(fā)送的數據，然后對其進行發(fā)射、接收和顯示。實驗結果表明，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)射的數據完全相同，這表明該系統(tǒng)能實現(xiàn)數據的有效傳輸，具有高速、抗干擾能力強等優(yōu)點。
文中介紹了用SPI總線接口進行數據傳輸的實現(xiàn)方法，采用nRF905射頻收發(fā)芯片和STC89C52RC單片機設計了無線數據傳輸系統(tǒng)，完成硬件電路和系統(tǒng)軟件調試后，進行了無線數據收發(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AD采集后產生要發(fā)送的數據，然后對其進行發(fā)射、接收和顯示。實驗結果表明，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)射的數據完全相同，這表明該系統(tǒng)能實現(xiàn)數據的有效傳輸，具有高速、抗干擾能力強等優(yōu)點。
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