基于單片機和射頻芯片實現無線數據傳輸系統的設計

在當前的無線數據通信領域內，系統設計的微型化、低功率是發展的趨勢與要求。在保證系統設計的有效性、可靠性的前提下如何實現低功率條件下的長距離無線數據傳輸是目前系統研究的主要問題。文章在分析了影響無線數據傳輸系統的相關因素，如頻率選擇、抗多徑干擾、天線選擇、協議設計等，分析了在低功率、微型化無線數傳系統設計時對這些影響因素的具體解決思路。以單片機AT89C5l和射頻芯片nRF401為系統設計核心，提出了一種低功率、長距離、系統功耗低的無線數據傳輸系統的軟硬件設計方案，并給出了系統擴展應用的基本方向與思路。

1 影響因素分析

在無線數據通信系統設計時，頻段選擇、多徑干擾、天線選擇、協議設計等下列因素對整個系統的功能實現與性能有著至關重要的影響。

1．1 頻段選擇

對一般的民用無線數據傳輸系統而言，確定工作頻率的時應該從兩方面考慮：一是所選擇的頻段應在免申請的自由頻段內頻率的：另一方面，頻率的高低與信號的傳輸損耗有關，結合當前的技術發展現狀，2．4GHz免申請微波頻段成為首選頻段，nRF401芯片就工作在此頻段。

1．2 多徑干擾

目前2．4GHz頻段的通信設備越來越多，藍牙、HomeRF、DECT和無線局域網（WLAN）等這類無線通信形式一般都采用2．4～2．5GHz ISM頻段，這些具有相同或相近工作頻段的系統在某一特定的區域內，就會造成無線數據傳輸過程中的多徑干擾，成為影響系統可靠性的主要因素。在系統設計時為了有效的降低多徑干擾對系統性能的影響，可采用數字調制技術與擴展頻譜通信技術，根據系統設計的低成本及微型化要求，可選擇FSK+DSSS來避免帶內多徑干擾。FSK調制具有設備簡單、調制和解調方便等優點，并且具有較好的抗多徑時延性能；DSSS系統采用偽隨機碼的相關解擴，只要多徑時延大于一個偽隨機碼的碼片，多徑就構不成干擾，反而可以利用這一干擾能量來提高系統性能。

1．3 天線選擇

目前常用的微波天線有，外置式：1／4波長鞭狀、1／4波長伸縮式天線（振子螺旋天線組合）、螺旋天線：內置式：微帶縫隙、微帶貼片、介質、背腔式、鐵氧體式。其中內置式天線在使用的頻段范圍內，可以使天線的有效增益盡可能增大，進而提高無線傳輸距離；在保持有效增益的前提下，還要允許縮小尺寸和減輕重量。便于實現系統的微型化設計。

1．4 協議設計

對于無線數據傳輸系統而言，通信協議設計的是否得當，將會對整個系統性能產生重要的影響。以nRF401為例，其協議設計時要保證系統在無數據傳輸時處于休眠狀態，降低系統功耗；同時還要考慮無線部分硬件不具備自動喚醒功能的，在有數據傳輸時能夠及時喚醒設備確保數據不丟失。nRF40l協議設計的基本內容如下：

（1）首先每次發送應該有一個前置碼，通?？刹捎?01010101010……，持續一個給定的周期，這個前置碼是實現低功耗的基礎。

（2）接端平時可以開啟接收幾個毫秒，如果沒有收到規定的前置101010101010……，然后關閉約1秒，通過檢測前置碼而獲得同步。開關的時間比也就是工作的占空比，增加前置碼的周期可以減少工作的時間，從而減少平均工作電流。

2 系統設計

對于本次的無線數據傳輸系統而，系統設計在保證系統功能實現的基礎上，還要解決三個問題：低功率、長距離，低功耗。其中的低功率實現比較簡單，因為nRF401芯片本身的最大發射功率只有+lOdBm，同時在電路設計可通過合理設置R3（見圖1）來調節發射功率。對于系統的低功耗要求可通過合理的協議設計來實現（上述2．4）。下來需要解決的主要問題便是長距離傳輸的系統軟硬件設計。

2．1．長距離傳輸實現

實現長距離無線數據傳輸的解決方法有兩個：一是加大功率來提高傳輸距離；二是采用高增益天線提高通信距離。

加大功率雖然可以有效提高傳輸距離，但同時會使系統電流消耗增加，并且構成系統的元器件數量也會增多，造成系統功耗及體積變大，不利于系統微型化和低功耗特性的實現。

而采用高增益天線來恰好可以避免上述缺點，在這種方式中采集成天線，無需增加額外的功耗和增加外圍元件即可實現長距離的無線數據傳輸，其基本的理論依據如下：

采用OdB增益天線，理論上的數據傳輸距離為：

●f0：434 MHz（λ=0．69 m）

●Pt：10 dBm

●Gtx ant：0dB天線

●Grx ant：0dB天線

●S：-105 dBm

傳輸足巨離：R=λ／（4*π*10M）=30877m

其中：M=LP／20

LP=S—Pt—Gtx_ant—Grx_ant=-115dBm

這是理想狀況下的傳輸距離，實際的應用中是會低于該值，這是因為無線通信要受到各種外界因素的影響，如大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗，將上述損耗的參考值計入上式中，即可計算出近似通信距離。

2．2 系統硬件設計

圖1為nRF401在采用高增益天線時的典型應用電路

在系統設計中，以Atmel 公司的AT89C51 單片機作為系統控制器與該電路連接。由控制器發出控制信號改變TXEN端口的值，以改變nRF401 的收、發工作狀態，nRF40l與AT89C51連接方式如下圖2示。

本系統處于半雙工的工作狀態。單片機的串口P3．0、P3．1分別和nRF4．01的DOUT、DIN相連接。TXEN、FREQ、PWR UP可以分別由單片機的Pl口的引腳進行控制。即發送的數據經由單片機的串口P3．1到達nRF401的DIN引腳，然后天線端口發送出去。接收數據的過程正好相反，數據經由天線，經過解調，到達DOUT端口，再由P3．0接收，經由SBUF轉存到存儲器中。單片機和nRF401 的連接如圖2所示。芯片引腳DIN與單片機P3．1相連，需要發射的數字信號通過DIN輸入。DOUT與單片機P3．0相連，解調出來的信號經過DOUT輸出進入單片機。PWR UP（節電控制）與單片機P1．2相連：PWR UP=“1”為工作模式：PWR UP=“0”為待機模式。電路進入待機狀態，工作電流為8μA，電路不接收和發射數據。TXEN為發射允許控制，與單片機P1．0相連：TXEN=“1”為發射模式：TXEN=“0”為接收模式。為了設計上的方便，nRF401可以與單片機共用一個晶振，具體連接方法如圖3所示：

2．3 系統軟件設計

數據的收、發由AT89C51控制。首先，對系統要進行初始化，讓nRF401進入待機狀態：使單片機工作在串口通信方式，利用單片機的中斷響應，對。nRF40l芯片的相應引腳進行控制，實現數據的接收或發射。整個軟件設計流程如圖4所示。在程序設計的時候，要注意一個關鍵問題：即nRF401有多種不同的工作模式，當不同的模式進行轉換時，系統存在相應的延遲，程序設計時必須考慮這一因素。nRF401不同工作模式下的時序如表1所示。

其中TX：發射模式；Rx：接受模式；std_by：待機模式；VDD=0-Tx：加電到發射模式；

VDD=0-RX：加電到接收模式。

當從接收轉為發射模式時，數據輸入引腳DIN必須保持為高至少1ms才能發送數據。當由發送模式轉為接收模式時，數據輸出引腳0UT要至少3ms以后才有數據輸出（其他的狀態，讀者可以根據表1 自行分析） 。在編程實現的時候要把延遲考慮進去，才能達到準確無誤接收。根據系統的功能要求，軟件設計流程如下圖4所示：

3 應用分析

本設計以nRF401和單片機AT89C51為基礎設計出了一款具有微型化、低功率、可長距離傳輸等特點的無線數據傳輸系統，在某環境監測與報警系統中進行了系統功能測試，測試結果表明，該系統在室外無障礙環境下的有效傳輸距離約為1300m，數據傳輸準確率較高，達到了預期的設計目標。

同時該系統可以作為一個開放式的無線數據傳輸模塊，將該系統和數據采集設備有效結合，可以實現工業環境下的數據監測與監控需求。同時該系統也可實現無線語音傳輸，將話音信息經音頻接口芯片（如TI公司的TLV320AICl0）進行A／D轉換、采樣、編碼后送入系統，實現語音信息的無線傳輸。

責任編輯：gt