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1 模塊總體硬件結(jié)構(gòu) 模塊總體硬件結(jié)構(gòu)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，能自動完成波特率識別，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的編碼處理，給用戶提供了一個透明的數(shù)據(jù)接口。微控制器選用Atmel公司新推出的具有可在線編程(ICSP)功能的單片機(jī)AT89S51，便于以后軟件的升級。根據(jù)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)射功率等方面因素的綜合比較，選用nRF401芯片作為無線數(shù)據(jù)傳輸芯片。 nRF401是單片無線收發(fā)芯片，采用藍(lán)牙核心技術(shù)設(shè)計，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。它是目前集成度最高的無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，也是目前唯一一個可以直接連接微控制器串口進(jìn)行異步數(shù)據(jù)傳輸、無需進(jìn)行曼徹斯特編碼的無線收發(fā)芯片。nRF401發(fā)射功率最大為10 mw，工作電壓為2.7～5 V，發(fā)射電流為8～30 mA，接收電流約為10 mA，待機(jī)電流為8 μA，靈敏度為-105dBm，20腳8 mm×7 mm的SOIC封裝；所需外部元件很少，僅外接一個晶振和幾個阻容、電感元件；基本無需凋試，傳輸速率最高為19.2 kbps，工作頻段為433／434 MHz，有2個信道，調(diào)制方式FSK。 nRF401端口中與微控制器相關(guān)的有5個：DIN和DOUT用于異步串行通信，DIN的數(shù)據(jù)方向為微控制器到無線芯片，DOUT則相反；CS選擇芯片頻段，CS=0時為433.92 MHz，CS=1時為434.33 MHz，在本模塊中將該引腳引出，以方便用戶的控制，當(dāng)一個頻段無法工作時，可以設(shè)置為另一個工作頻段，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力；PWR_UP用于芯片節(jié)電控制，PWR_UP=0時為掉電(節(jié)電模式)，PWR_UP=1時為上電(工作模式)，在該模塊中同樣將其引出，當(dāng)不需要無線發(fā)射和接收時，用戶可將芯片設(shè)置為節(jié)電模式以降低系統(tǒng)功耗；TXEN選擇芯片處于發(fā)射或接收狀態(tài)，TXEN=0時為接收狀態(tài)，TXEN=1時為發(fā)送狀態(tài)。 PCB板布局和電源去耦設(shè)計對于RF射頻電路獲得較好的性能是必要的，電路板采用1.6 mm厚FR4板材的兩層PCB，底層鋪銅面，并在元件層空白區(qū)鋪銅；多打通孔連接上下層，銅面與地線相連，天線下底層不鋪銅，VSS直接與銅層連接，并保證關(guān)鍵元件有充分的接地。所有開關(guān)數(shù)字信號和控制信號都不能經(jīng)過PLL環(huán)路濾波器元件和VCO電感附近。直流供電在離VDD腳盡可能近的地方用高性能的電容去耦，去耦使用1個小電容(0.01μF)和1個大電容(2.2μF)并聯(lián)，并避免較長的電源走線。 2 硬件設(shè)計及軟件實現(xiàn) 2.1 微控制器與nRF401接口設(shè)計 微控制器AT89S51與藍(lán)牙芯片nRF401的接口電路如圖2所示。nRF401芯片只需10個左右的元件即實現(xiàn)了數(shù)據(jù)收發(fā)功能，應(yīng)用極其方便。其TXEN端為數(shù)據(jù)收發(fā)選擇端，當(dāng)設(shè)定為發(fā)送模塊時，將其置為高電平；同時，DIN引腳與微控制器的TXD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)計為接收模塊，則將TXEN端置為低電平；同時，DOUT引腳與微控制器的RXD端相連，微控制器的RXD引腳與外部主控單片機(jī)的TXD引腳相連。模塊與外部單片機(jī)的通信波特率為自動檢測方式，受nRF401芯片通信速率的限制，可以工作在1 200～19 200 bps。模塊上預(yù)留ICSP接口，可在系統(tǒng)編程，方便程序的升級；同時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)的實現(xiàn) 模塊上的微控制器AT89S51既要控制nRF401芯片實現(xiàn)與外界的數(shù)據(jù)交換功能，又必須受控于模塊外部的主控單片機(jī)，因此AT89S51必須能同時與nRF401芯片和片外主控單片機(jī)通信；但AT89S51只有一個UART，無法滿足要求。為解決這一予盾，通常的做法是擴(kuò)展一片8251或8250通用同步／異步接收發(fā)送芯片(USART)，但會額外占用單片機(jī)I／O資源，增加系統(tǒng)的成本，同時也增大了PCB板的布局面積。在本系統(tǒng)中用單片機(jī)普通I／O口模擬串行口，利用該方法還可擴(kuò)展多個外部串行端口，實現(xiàn)多機(jī)通信。 要實現(xiàn)用普通的I／O口模擬串口，必須首先確定串行口的通信速率(即波特率)。本系統(tǒng)中，該模塊設(shè)計成波特率為1 200～19 200 bps自適應(yīng)式的通信模塊，自身的波特率能隨主控單元的變化而自動調(diào)整，使系統(tǒng)適應(yīng)性更強(qiáng)，更智能化，因此，必須首先解決好波特率自動檢測識別的問題。 2.2.1 波特率自動檢測識別的實現(xiàn) 波特率自動檢測識別的常用方法主要有兩種。 (1) 標(biāo)準(zhǔn)波特率窮舉法 標(biāo)準(zhǔn)波特率窮舉法要求主機(jī)側(cè)的波特率必須在有限的幾個固定數(shù)值之間變化，如300～9 600的標(biāo)準(zhǔn)值；同時從機(jī)側(cè)的工作振蕩頻率已知且穩(wěn)定。從機(jī)啟動通信程序后，逐個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)用有一定的局限性。 (2) 碼元寬度實時檢測法 碼元寬度實時檢測法是先通過單片機(jī)的定時器測量接收(RXD)引腳上輸入數(shù)據(jù)的碼元寬度，即機(jī)器周期的計數(shù)值，而后用軟件計算出波特率發(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。 在本系統(tǒng)中用碼元寬度實時檢測法確定出主機(jī)的波特率，而后從機(jī)自身進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。理論上，只要能夠測出一個碼元的寬度就能確定出數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈�；但在實際測量過程中，為保證測量的準(zhǔn)確性，通常采取測量連續(xù)8個碼元寬度的方法。這里，采用了較為常用的異步串行通信數(shù)據(jù)格式(即1個起始位、8個數(shù)據(jù)位、無校驗、1個停止位，發(fā)送時低位數(shù)據(jù)在前，高位在后)，因此連續(xù)8個碼元寬度的時間可以通過在主機(jī)側(cè)發(fā)0x80H的方式實現(xiàn)，其波形如圖3所示。起始位加7個碼元寬度的低電平，剛好構(gòu)成8個脈寬的低電平。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，打開定時器，同時不斷查詢接收引腳的狀態(tài)；當(dāng)RXD變?yōu)楦唠娖胶笸Ｖ褂嫈?shù)，這樣單片機(jī)就可以測量出此低電平持續(xù)的寬度。 設(shè)主機(jī)側(cè)的波特率為BPS，其值未知，則此時連續(xù)8個碼元的寬度計算公式為： 設(shè)模塊內(nèi)AT89S51單片機(jī)的工作頻率為fOSC，用定時器T1方式2(常數(shù)自動裝入方式)產(chǎn)生波特率，串行口工作在方式1，此時串口的波特率BAUD由定時器T1的溢出率和SMOD位同時決定。 當(dāng)T1用作波特率發(fā)生器時，寄存器TL1用作計數(shù)器，而自動重裝的值放在TH1內(nèi)，設(shè)初始值為X，則每過“256-X”個機(jī)器周期，定時器T1就會產(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，T1的溢出周期為： 將式(3)代入式(2)得此時的波特率為： 設(shè)此時采用波特率加倍的方式(即SMOD=1)，且模塊的波特率與主機(jī)的波特率相等，即： 將式(4)代入式(1)可得: 設(shè)AT89S51內(nèi)部定時器T1測量連續(xù)8個碼元計數(shù)值為M，由于是對內(nèi)部的機(jī)器周期計數(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)器周期代表的實際時間是： 很明顯，式(6)與式(7)應(yīng)相等，因此有如下等式成立： 由上式即可得單片機(jī)定時器T1的初值在波特率自適應(yīng)情況下的計算公式： 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)的工作頻率相對穩(wěn)定即可，對具體數(shù)值無要求。 另外，需要說明的是，對于串行異步通信，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)，就可以實現(xiàn)準(zhǔn)確的通信。 2.2.2 軟件模擬串口的實現(xiàn) 波特率確定以后，即可用軟件模擬實現(xiàn)串行口。就單片機(jī)而言，要實現(xiàn)模擬串口，必須解決好時序問題，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，定時器T0以定時中斷方式對接收碼元采樣或發(fā)送數(shù)據(jù)流，實現(xiàn)了一個軟件的串口。 對于軟件模擬串口，關(guān)鍵在于解決好時序問題。本系統(tǒng)中，充分利用了nRF401芯片半雙工通信的特點(即數(shù)據(jù)發(fā)送和接收不能同時進(jìn)行)，成功地實現(xiàn)了一個軟件串行口。串行數(shù)據(jù)的發(fā)送實現(xiàn)相對較為簡單，只需利用定時器使發(fā)送出去的碼元維持一定的時間寬度；實現(xiàn)異步串行接收的關(guān)鍵是起始位的檢測和信息位的準(zhǔn)確提取。任何時候數(shù)據(jù)傳送都可能發(fā)生，故要求接收方必須能夠及時準(zhǔn)確地接收數(shù)據(jù)，而通信過程中沒有同步信號，因此串行數(shù)據(jù)的提取相對而言具有一定的難度。為此，采用AT89S51的外部中斷0口模擬RXD，并沒置其中斷方式為邊沿觸發(fā)，平常維持其為高電平。由于起始位為低電平，因此，當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)后就會產(chǎn)生中斷，則根據(jù)波特率設(shè)置的定時時間間隔進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，即可實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的接收。 結(jié) 語 基于本思想設(shè)計的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，已成功地運(yùn)用于“磁柵式浮動檢測儀”項目中。經(jīng)實踐檢驗，系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，具有一定的工程實用價值。 |
