具有波特率自適應(yīng)功能的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊設(shè)計(jì)

　　1 模塊總體結(jié)構(gòu)

　　基于nRF401無線數(shù)據(jù)傳輸器件的數(shù)傳模塊總體硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由微控制器和藍(lán)牙芯片及其相應(yīng)的外圍電路組成，能自動(dòng)完成波特率識(shí)別，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼處理，給用戶提供了一個(gè)透明的數(shù)據(jù)接口。微控制器選用Atmel公司推出的可在線編程的單片機(jī)AT89S51，便于以后軟件的升級(jí)。通過對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)是否需要曼徹斯特編碼、所需外圍元件的數(shù)量、功耗及發(fā)射功率等方面的因素綜合比較,選用nRF40l作為無線數(shù)傳器件。

　　nRF401是單片無線收發(fā)器件，采用藍(lán)牙核心技術(shù)設(shè)計(jì)，內(nèi)部集成高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK調(diào)制、FSK解調(diào)、多頻道切換等諸多功能和外圍部件協(xié)議，是目前集成度最高的無線數(shù)傳產(chǎn)品，也是唯一可以直接連接微控制器串口進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸且無需曼徹斯特編碼的無線收發(fā)器。nRF401發(fā)射功率最大為10 mW，工作電壓為2.7 V～5 V，發(fā)射電流為8 mA～30 mA，接收電流約10 mA，待機(jī)電流為8 μA，靈敏度為-105 dBm,采用20引腳8 mmx7 mm的SOIC封裝。所需外部元件很少，僅外接一個(gè)晶體和幾只阻容、電感元件，無需調(diào)試，傳輸速率最高達(dá)19.2 kb/s，工作頻段為433/434 MHz，有兩個(gè)信道，調(diào)制方式為FSK。

　　nRF401有5個(gè)端口與微控制器相關(guān)：DIN和DOUT用于異步串行通信，DIN的數(shù)據(jù)方向?yàn)槲⒖刂破鞯絥RF40l，DOUT相反;CS選擇工作頻段，CS=0時(shí)頻段為433.92 MHz，CS=1時(shí)為434.33 MHz，在該模塊中將CS引腳引出，方便用戶控制，在一個(gè)頻段無法工作時(shí)，可以設(shè)置為另一個(gè)工作頻段,提高了系統(tǒng)的抗干擾能力;PWR_UP用于節(jié)電控制。PWR_UP=0時(shí)為掉電(節(jié)電)模式，PWR_UP=1時(shí)為上電(工作)模式，在該模塊中同樣將其引出,在不需要無線發(fā)射和接收時(shí)，用戶可將器件設(shè)置為節(jié)電模式以降低系統(tǒng)的功耗;TXEN選擇發(fā)射或接收狀態(tài)，TXEN=0時(shí)為接收，TXEN=1時(shí)為發(fā)送。

　　PCB布局和電源去耦設(shè)計(jì)對(duì)于RF射頻電路獲得較好的性能是必要的，電路板采用1.6mm厚FR4板材的兩層PCB，底層覆銅面,并在元件層空白區(qū)覆銅，多打通孔連接上下層，銅面與地線相連,天線下底層不覆銅，VSS直接與銅層連接,并保證關(guān)鍵元件充分接地。所有開關(guān)數(shù)字信號(hào)和控制信號(hào)都不能經(jīng)過PLL環(huán)路濾波器元件和VCO電感附近。直流供電在離VDD引腳盡可能近的地方用高性能的電容去耦，去耦使用一只小電容(0.01μF)和一只大電容(2.2μF)并聯(lián)，避免較長(zhǎng)的電源走線。

　　2 硬件設(shè)計(jì)及軟件實(shí)現(xiàn)

　　2.1 微控制器與nRF401接口設(shè)計(jì)

　　圖2為微控制器ATr89S51與nRF401的接口電

　　路，nRF401只需10個(gè)左右的元件即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，應(yīng)用極其方便。其PSEN為數(shù)據(jù)收發(fā)選擇端，當(dāng)設(shè)定為發(fā)送模塊時(shí)，PSEN接為高電平，同時(shí),DIN引腳與微控制器的TX端相連，微控制器的RXD端作為預(yù)留接口與外部主控單片機(jī)的TXD相連：若設(shè)計(jì)為接收模塊，則PSEN接低電平，同時(shí)，DOUT引腳與微控制器的RX端相連，RXD引腳與外部微控制器的TXD引腳相連。模塊與外部單片機(jī)的通訊波特率為自動(dòng)檢測(cè)方式，受nRF401通訊速率的限制。該模塊可以工作在1 200 b/s～19.2 kb/s之間。模塊上預(yù)留ICSP接口，可以系統(tǒng)在線編程。方便程序升級(jí)。還同時(shí)具有良好的防竊密功能，不易破解。

　　2.2 串口模擬及波特率自適應(yīng)的實(shí)現(xiàn)

　　對(duì)于模塊上的片上主控單片機(jī)AT89S51而言，既要控制nRF401完成與外界的數(shù)據(jù)交換。同時(shí)自身又必須受控于模塊外部的主控單片機(jī),因此。AT89S51必須能同時(shí)與nRF401及片外主控單片機(jī)通訊，但AT89S51只有一個(gè)UART，無法滿足要求,為解決這一矛盾，通常的方法是擴(kuò)展一片8251或8250通用同步/異步接收發(fā)器(USART)，但需額外占用單片機(jī)I/O資源，增加了系統(tǒng)的成本,同時(shí)也增大了PCB板的布局面積。本系統(tǒng)則采用單片機(jī)普通I/O口模擬串行口，利用該方法還可擴(kuò)展多個(gè)外部串行端口，實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信。

　　利用普通I/O口模擬串口,必須首先確定串口的通信速率即波特率，在本系統(tǒng)中，該模塊設(shè)計(jì)是波特率為1 200 b/s～19.2 kb/s自適應(yīng)式的通信模塊，使自身的波特率隨主控單元的 調(diào)整而自動(dòng)調(diào)整，系統(tǒng)適應(yīng)性更強(qiáng),更具智能化，因此首先必須解決好波特率自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別的問題。

　　2.2.1 波特率自動(dòng)檢測(cè)識(shí)別的實(shí)現(xiàn)

　　常用的波特率自動(dòng)檢測(cè)方法主要有兩種：

　　(1)標(biāo)準(zhǔn)波特率窮舉法。

　　標(biāo)準(zhǔn)法特率窮舉法適用于主機(jī)側(cè)的波特率必須在有限的幾個(gè)固定數(shù)值之間變化。如300b/s～9.6 kb/s之間的標(biāo)準(zhǔn)值;且從機(jī)側(cè)的工作振蕩頻率已知且穩(wěn)定。從機(jī)啟動(dòng)通信程序后，逐個(gè)嘗試以不同的波特率接收主機(jī)發(fā)出的特定字符，直到能正確接收為止。因此，該方法的運(yùn)用具有一定的局限性。

　　(2) 碼元寬度實(shí)時(shí)檢測(cè)法。

　　該方法是先通過單片機(jī)的定時(shí)器測(cè)量RX引腳上輸人數(shù)據(jù)的碼元寬度，即機(jī)器周期的計(jì)數(shù)值，之后用軟件計(jì)算出波特率發(fā)生寄存器的值。該方法由于適用范圍廣、操作靈活，因而應(yīng)用較為普遍。

　　本系統(tǒng)首先用碼元寬度實(shí)時(shí)檢測(cè)法確定主機(jī)的波特率，之后從機(jī)自身進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。就理論而言，只要能夠測(cè)出一個(gè)碼元的寬度就能確定數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?，但在?shí)際測(cè)量過程中，為保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，通常采取測(cè)量連續(xù)8個(gè)碼元寬度的方法。這里采用了較為常用的異步串行通信數(shù)據(jù)格式，即1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、無校驗(yàn)、1個(gè)停止位。發(fā)送時(shí)低位數(shù)據(jù)在前，高位在后，因此連續(xù)8個(gè)碼元寬度的時(shí)間可以通過在主機(jī)側(cè)發(fā)0x80H的方式實(shí)現(xiàn)，其波形如圖3所示。起始位加7個(gè)碼元寬度的低電平，恰好構(gòu)成8個(gè)脈寬的低電平。單片機(jī)采用串口中斷的方式接收數(shù)據(jù)，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，打開定時(shí)器,同時(shí)不斷查詢接收引腳的狀態(tài)，當(dāng)RXD變?yōu)楦唠娖胶笸Ｖ褂?jì)數(shù)，這樣單片機(jī)就可以測(cè)量出低電平持續(xù)的寬度。

　　設(shè)主機(jī)側(cè)的波特率為BPS，其值未知，則此時(shí)連續(xù)8個(gè)碼元的寬度計(jì)算公式為：

　　設(shè)模塊內(nèi)AT89S51單片機(jī)的工作頻率為fosc,用定時(shí)器1方式2常數(shù)自動(dòng)裝入方式產(chǎn)生波特率，串行口工作在方式1，此時(shí)串口的波特率由定時(shí)器T1的溢出率和SMOD位同時(shí)決定。即：

　　當(dāng)T1用作波特率發(fā)生器時(shí)，TL1用作計(jì)數(shù)器，而自動(dòng)重裝的值放在TH1內(nèi)，設(shè)初始值為X，則每"256-X"個(gè)機(jī)器周期，定時(shí)器T1就會(huì)產(chǎn)生一次溢出。為了避免因溢出而產(chǎn)生不必要的中斷，此時(shí)禁止T1中斷。AT89S51內(nèi)部機(jī)器周期為振蕩周期的12分頻,因此，定時(shí)器T1的溢出周期為：

　　將式(3)代入式(2)得出此時(shí)的波特率為：

　　設(shè)此時(shí)模塊的波特率與主機(jī)側(cè)的波特率相等，即：

　　設(shè)AT89S51內(nèi)部定時(shí)器T1測(cè)連續(xù)8個(gè)碼元計(jì)數(shù)值為M，由于是對(duì)其內(nèi)部的機(jī)器周期計(jì)數(shù)，且機(jī)器周期是內(nèi)部振蕩周期的12分頻，所以，總數(shù)為M的機(jī)器周期代表的實(shí)際時(shí)間是：

　　很明顯，式(6)與式(7)應(yīng)相等，因此有如下公式成立：

　　由上式則可得出，單片機(jī)定時(shí)器T1初值在波特率自適應(yīng)情況下的計(jì)算公式：

　　由式(9)可以看出，其初值不依賴于單片機(jī)的工作頻率，因此，只要單片機(jī)的工作頻率相對(duì)穩(wěn)定即可，對(duì)具體數(shù)值無要求。

　　另外，需要說明的是，對(duì)于串行異步通信而言，通信雙方的波特率不必嚴(yán)格相等，只要雙方的差別在一定的范圍之內(nèi)，就可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確通信。

　　2.2.2 軟件模擬串口的實(shí)現(xiàn)

　　當(dāng)波特率確定以后，即可用軟件模擬實(shí)現(xiàn)串行口。對(duì)單片機(jī)而言，要實(shí)現(xiàn)模擬串口的關(guān)鍵是必須解決好時(shí)序問題，不能造成通信過程中的數(shù)據(jù)丟失，為此，采用單片機(jī)的外部中斷0口的下降沿觸發(fā)功能,模擬串口數(shù)據(jù)接收線RXD，P1.2口模擬串口數(shù)據(jù)發(fā)送線TXD，定時(shí)器0以確定中斷方式對(duì)接收碼元采樣或發(fā)送數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)一個(gè)軟件的串口。

　　對(duì)于軟件模擬串口而言，關(guān)鍵是必須解決好時(shí)序問題。本系統(tǒng)充分利用了nRF40l器件半雙工通信的特點(diǎn)，即數(shù)據(jù)發(fā)送和接收不同時(shí)進(jìn)行，成功實(shí)現(xiàn)了一個(gè)軟件串行口。串行數(shù)據(jù)發(fā)送的實(shí)現(xiàn)相對(duì)較為簡(jiǎn)單，只需利用定時(shí)器讓發(fā)送出去的碼元維持一定的時(shí)間寬度即可，實(shí)現(xiàn)異步串行接收的關(guān)鍵是起始位的檢測(cè)和信息位的準(zhǔn)確提取。任何時(shí)候數(shù)據(jù)傳送都可能發(fā)生，故要求接收方必須能夠及時(shí)準(zhǔn)確地接收數(shù)據(jù)，而通信過程中沒有同步信號(hào)，因此，串行數(shù)據(jù)的提取相對(duì)而言具有一定的難度。所以，文中采用AT89S51的外部中斷0口模擬RXD，并設(shè)置其中斷方式為邊沿觸發(fā)，平常保持為高電平，起始位為低電平，因此，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)產(chǎn)生中斷，根據(jù)波特率設(shè)置的定時(shí)時(shí)間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，即可實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的接收。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊已成功運(yùn)用于"磁柵式浮動(dòng)檢測(cè)儀"項(xiàng)目中，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。