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兼容RS-232的点对点无线接口设计

更新日期:2008-01-14  作者:  来源:光学精密机械网(ChinaOptic.Com.Cn)收集整理

来源:今日电子/21IC  作者:威海科益达电子有限公司 王飞 赵辉 姚晓亮


本文设计了基于RF芯片nRF2401的兼容RS-232的无线数传模块,给出了系统的硬件电路及相关软件设计的解决方案。


前言
随着通信、信息技术和微电子技术的飞速发展,短距离无线通信的应用步伐不断加快。在短距离无线数据通信中,目前最为成熟的三个标准是:Bluetooth, 802.11(Wi_Fi)和IrDA。RFID和UWB凭借其独有的特点成为短距离无线数据传输技术的后起之秀。



RS-232接口标准是一种广泛的普及标准,但此标准推出较早,在现代金融、保险、电信和电子化网络中已暴露出明显的问题:信号线易受外界干扰;RS-232采取不平衡传输方式,其共模抑制能力差,再加上双绞线上的分布电容,其传送距离最大约为15m。由于上述问题的存在,导致RS-232串口数据线对电压浪涌特别敏感。目前,非交流电源线路的浪涌所引起的损害占据全部浪涌损害的一大部分。其后果是:硬件损坏、数据丢失、通信中断以及由此引起停机。



为了改进RS-232通信距离短、易受外界干扰的缺点和满足PC系统需要增加无线数据传输功能的需要,设计了基于RF芯片nRF2401的兼容RS232的无线数传模块。


 


系统设计
nRF2401采用 5mm×5mm的24引脚QFN封装,具有突发传递和直接传递两种工作模式。突发传递模式以低速率向nRF2401写入待发数据,以高速率无线传输,尽量降低功耗。直接传递模式与传统RF器件工作模式一致。



图1 TTL/ RS232的逻辑电平转换电路



nRF2401的主要特点:
● 全球开放的2.4GHz频段,125个频道,满足多频及跳频需要。
● 高速率( 1Mb/s),优于蓝牙技术。
● 外围元件极少,电压范围为1.9~3.6V,电流消耗很小,功耗很低。
● 发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置。
● 芯片内部设有专门的稳压电路,且无须外部SAW滤波器。
● 独特设计:采用DuoCeiver 技术可同时接收两个nRF2401的数据。
● 可通过软件设置最多40位地址,且只有收到本机地址时才会输出数据。
● 内置CRC校验硬件电路和协议,有数据时隙和数据时钟恢复功能。



1 nRF2401的高频头设计
nRF2401芯片以及其外围元件电路组成了发送接收模块。考虑到电磁兼容性,nRF2401的应用电路单独做成一块PCB。高频模块使用双层PCB,PCB设计中大量使用过孔,使顶层和底层的地充分接触,PCB的空余部分大面积连续接地。



图2 MCU与nRF2401的直连方式



2 接口电路设计
RS232信号在正负电平之间摆动。发送数据时,发送端驱动器输出正电平在+5~+15V,负电平在-5~-15V。从开始传送数据到结束,线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3~+12V与-3~-12V。选用MAX3232芯片作TTL/ RS232的逻辑电平转换。图1为TTL/ RS232逻辑电平转换的原理图电路。其中C16、C20使用1uF独石电容,C17、C19使用0.1μF独石电容。




MCU与nRF2401的连接采用I/O口直接连接方式。原理图如图2所示。连接电路中采用电阻分压网络来实现AT89S52与 nRF2401的数据交互。



3 软件设计
nRF2401的ShockBurstTM RX/TX模式采用片上 FIFO来进行低数据率的时钟同步和高数据率的传输,因此极大地降低了功耗。ShockBurstTM发射主要通过MCU接口引脚CE、CLK1和DATA来完成。当MCU请求发送数据时,置CE为高电平,此时的接收机地址和有效载荷数据作为nRF2401的内部时钟,可用请求协议或MCU将速率调至1Mb/s;置CE为低电平可激活ShockBurstTM发射。nRF2401在突发模式下的帧格式如表1所示。



图3 程序流程图



程序流程图如图3所示。
nRF2401具有144位状态字。控制器将nRF2401设置为配置方式,然后由通道1向nRF2401写入状态字的配置值,写时高位在前。配置方式下控制器写状态字的过程与激活方式下向nRF2401写入数据的过程完全相同,都经由CLK、DR和DATA组成的三线接口完成。



在配置模式下,将nRF2401配置为ShockBurstTM收发模式,该模式下使nRF2401能够处理射频协议,在配置完成后,在nRF2401工作过程中,只需改变其最低一字节中的内容,以实现接收模式和发送模式的转换。ShockBurstTM的配置字由数据宽度、地址宽度、地址和CRC四部分组成。



程序中对状态字后的120位进行配置,其值为0x20 4000 DDDDDD DD 00CC CCCC CC83 6E05。配置后nRF2401的通道1数据段长度为8字节,地址段长度为32位,通道1硬件地址为0x CCCCCCCC,使能16位CRC校验,单通道接收,工作于突发传递模式下,通信速率为1Mb/s,晶振频率为16MHz,输出功率-5dbm,工作频段为2402MHz。



①发送、接收数据的程序设计
   void ShockBurstTrans(){
  unsigned char ByteNum;
  MODE_RT;
  Delay202();
  for(ByteNum=0;ByteNum<14;ByteNum++)
   WriteTo2401(TXData[i]);
  CE=0;
  DATA=0;
   }
   数据接收设置为中断服务程序方式。中断服务程序如下:
   void ReceiveShock()interrupt 0 using 3{
   unsigned char ByteNum;
   DATA=1;
   for(ByteNum=0;


ByteNum<8;ByteNum++)
    RXData[ByteNum]=ReadFrom2401();
   }
② 串行口程序设计
采用中断方式进行串口管理。串行通信中对数据流的处理采用突发处理方式。针对RAM空间有限的情况,利用软件模拟FIFO寄存器结构。
串口的接收和发送工作是相对独立的,构建两个环形缓冲区来实现具有FIFO功能的缓冲区队列。每一个环形缓冲区都对应有写入(Ptr_Wr)和读出(Ptr_ Rd)两个指针,从写指针到读指针之间的相对区域存储的是待发送或已接收的数据,两个指针的前后次序通过标志位(bFlag_Order)判别,当它们的位置重合时则表示没有有效数据。读写指针相对位置与存储的数据之间的关系如图4所示。阴影部分表示有效数据。



图4 读写指针相对位置与存储数据之间的关系示意图



    
结论
随着Internet的飞速发展,从WAN到MAN,再到LAN、PAN,这些技术已逐渐成熟。无线网络在各类网络中最具增长潜力。由于各种无线标准自身的技术也有待于不断完善和提高,无线技术的应用还有很大的市场空间。



nRF2401是一款性价比很高的单片无线收发芯片,利用AT89S52和nRF2401芯片设计的无线数据传输系统,成本低,体积小,应用灵活,具有良好的通用性和可靠性。/通过调试结果表明,nRF2401芯片可以与微控制器连接实现无线数据通信,进而实现了PC之间的无线通信,并且通信质量可靠稳定。

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