聲音導(dǎo)引系統(tǒng)的無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1 本課題研究的目的和意義1</p><p>　　1.2 課題研究的內(nèi)容與組成2</p><p>　　1.3 本章小結(jié)2</p><p>　　2 短

2、距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)3</p><p>　　2.1 聲音導(dǎo)引系統(tǒng)無(wú)線傳輸總體方案3</p><p>　　2.2 控制模塊的選擇方案和論證3</p><p>　　2.3 無(wú)線傳輸模塊的選擇方案和論證4</p><p>　　2.4 無(wú)線傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言方案6</p><p>　　2.5 本章小結(jié)6&

3、lt;/p><p>　　3 基于NRF2401無(wú)線傳輸硬件電路模塊設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.1 電壓轉(zhuǎn)換電路模塊設(shè)計(jì)7</p><p>　　3.2 無(wú)線傳輸模塊nRF2401接口電路圖設(shè)計(jì)8</p><p>　　3.2.1 nRF2401芯片結(jié)構(gòu)8</p><p>　　3.2.2 nRF2401引腳說(shuō)明8&

4、lt;/p><p>　　3.2.3 nRF2401無(wú)線傳輸模塊接口9</p><p>　　3.3 單片機(jī)控制模塊電路設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.4 本章小結(jié)13</p><p>　　4 無(wú)線傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)14</p><p>　　4.1 利用STC89C51的I/O口模擬SPI口14</p>

5、<p>　　4.1.1 SPI總線的組成14</p><p>　　4.1.2 SPI接口的原理和應(yīng)用15</p><p>　　4.1.3 利用I/O口模擬SPI17</p><p>　　4.2 無(wú)線傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)19</p><p>　　4.2.1 nRF2401的工作模式轉(zhuǎn)換19</p><

6、;p>　　4.2.2 Shockburst TM模式下數(shù)據(jù)幀格式20</p><p>　　4.2.3 nRF2401的配置模式流程20</p><p>　　4.2.4 nRF2401發(fā)送模式流程24</p><p>　　4.2.5 nRF2401接收模式流程25</p><p>　　4.3 本章小結(jié)27</p>

7、<p><b>　　5 系統(tǒng)調(diào)試28</b></p><p>　　5.1 單片機(jī)模擬SPI同步數(shù)據(jù)傳輸調(diào)試28</p><p>　　5.2 無(wú)線數(shù)傳模塊nRF2401任意字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸29</p><p>　　5.3 防電磁干擾措施30</p><p>　　5.4 時(shí)間誤差計(jì)算31</p>

8、<p>　　5.4.1 SPI串口傳輸時(shí)間31</p><p>　　5.4.2 程序運(yùn)行指令延時(shí)32</p><p>　　5.5 本章小結(jié)32</p><p><b>　　6 結(jié)論33</b></p><p>　　附錄A nRF2401無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)電路圖34</p><p&

9、gt;　　附錄B nRF2401無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)PCB圖35</p><p>　　附錄C 聲音導(dǎo)引系統(tǒng)的無(wú)線傳輸設(shè)計(jì)各模塊程序39</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)44</b></p><p><b>　　致 謝46</b></p><p><b>　　1 緒論 </b&

10、gt;</p><p>　　1.1 本課題研究的目的和意義</p><p>　　目前，無(wú)線數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越多，移動(dòng)通信技術(shù)飛速發(fā)展，越來(lái)越多的信息采集和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)采用了無(wú)線傳輸技術(shù),由于無(wú)線數(shù)據(jù)通信不用布線，快速布局，因此具有有線數(shù)據(jù)通信無(wú)法比擬的便捷性，在物體運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合具有不可替代性。并且隨著無(wú)線技術(shù)的日益發(fā)展，無(wú)線傳輸技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越被各行各業(yè)所接受。現(xiàn)在無(wú)線傳輸技術(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出

11、了廣播通信的范圍，應(yīng)用日益廣泛，如無(wú)線電導(dǎo)航，無(wú)線電定位等許多領(lǐng)域，還有人進(jìn)行無(wú)線電力傳輸。無(wú)線傳輸在生活中的應(yīng)用也日益廣泛，車輛監(jiān)控、遙控、遙測(cè)、小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無(wú)線遙控門、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像傳送等生活各個(gè)方面[1]。</p><p>　　單片機(jī)以其高可靠性、高性價(jià)比，在工業(yè)控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能化儀器儀表、辦公自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域得到廣

12、泛的應(yīng)用。在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合中,單片機(jī)之間的遠(yuǎn)程通信不能采用有線的數(shù)據(jù)傳輸,例如采用有線的串、并行總線、I2C總線、CAN總線等,而是需要無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。目前市場(chǎng)上出現(xiàn)了多種無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊,如nRF2401、nRF905、PTR4000等。無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊的性能優(yōu)異，其顯著的特點(diǎn)是所需外圍組件少,因而設(shè)計(jì)非常方便。模塊在內(nèi)部集成了高頻發(fā)射、高頻接受、PLL合成、FSK調(diào)制/解調(diào)、參數(shù)放大、功率放大、頻道切換等功能,是目前集成度較高的無(wú)

13、線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品[2]。無(wú)線傳輸系統(tǒng)主要以STC89C51單片機(jī)為控制處理核心,由它完成對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)以及控制數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。STC89C51單片機(jī)是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī),片內(nèi)帶有一個(gè)8KB的可編程、可擦除、只讀存儲(chǔ)器[3]。無(wú)線收發(fā)模塊nRF2401性能優(yōu)異，傳輸穩(wěn)定，在業(yè)界居領(lǐng)先水平，它的顯著特點(diǎn)是所需外圍組件少，因而設(shè)計(jì)非常方便。</p><p>　　應(yīng)用于單片機(jī)程序開(kāi)發(fā)的語(yǔ)言有機(jī)器語(yǔ)言、匯編

14、語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言和機(jī)器語(yǔ)言一樣，都脫離不開(kāi)具體的機(jī)器，因此這兩種語(yǔ)言均為“面向機(jī)器”的語(yǔ)言。高級(jí)語(yǔ)言都是一些參照數(shù)學(xué)語(yǔ)言而設(shè)計(jì)的近似于人們?nèi)粘Ｓ谜Z(yǔ)的語(yǔ)言。C語(yǔ)言是高級(jí)語(yǔ)言的一種，它不僅直觀、易學(xué)、易懂，而且通用性強(qiáng)，易于移植到不同類型的機(jī)器中[4]。和匯編語(yǔ)言相比，C語(yǔ)言有很多優(yōu)勢(shì)，ANSI標(biāo)準(zhǔn)的 C語(yǔ)言是一種非常方便并獲得廣泛應(yīng)用，在絕大部分系統(tǒng)中都能夠很容易得到的語(yǔ)言，如果需要，現(xiàn)有的程序還可以很快的移植到其它處理器上。為了

15、適應(yīng)C語(yǔ)言廣泛應(yīng)用的形勢(shì)發(fā)展，掌握運(yùn)用KEIL編譯器開(kāi)發(fā)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)的思想和方法是極其必要的。KEIL C51編譯器是一個(gè)針對(duì)C51系列MCU的基于 ANSI C 標(biāo)準(zhǔn)的C編譯器，生成可執(zhí)行代碼快速、緊湊，在運(yùn)行效率上可以和匯編程序相媲美 [3][4] 。</p><p>　　1.2 課題研究的內(nèi)容與組成</p><p>　　本題目是設(shè)計(jì)聲音導(dǎo)引系統(tǒng)中的無(wú)線傳輸模塊。利用無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)

16、聲音導(dǎo)引系統(tǒng)中導(dǎo)引信息的發(fā)送和接收電路。利用STC89C51單片機(jī)對(duì)無(wú)線模塊進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)聲音信號(hào)的傳輸，進(jìn)而控制小車的運(yùn)動(dòng)。在本文中，主要說(shuō)明了單片機(jī)和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊 nRF2401的組合,形成單片機(jī)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),與移動(dòng)小車進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。包括：如何針對(duì)系統(tǒng)的需求選擇合適的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊器件,如何根據(jù)選擇的器件設(shè)計(jì)外圍電路和單片機(jī)的接口電路,如何編寫控制無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸器件進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯纹瑱C(jī)程序。</p>&l

17、t;p><b>　　1.3 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章簡(jiǎn)單介紹了課題研究的目的和意義，以及介紹了本次課題的主要內(nèi)容和組成。通過(guò)本章的介紹，很清楚的了解到，無(wú)線傳輸?shù)默F(xiàn)狀，以及無(wú)線傳輸?shù)陌l(fā)展前景----無(wú)線你的無(wú)限。下一章將對(duì)無(wú)線傳輸系統(tǒng)總體分析和論證。</p><p>　　2 短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)</p><p>

18、;　　在聲音導(dǎo)引系統(tǒng)中無(wú)線傳輸模塊的關(guān)鍵器件是主控單片機(jī)和無(wú)線收發(fā)芯片。無(wú)線收發(fā)芯片的種類和數(shù)量比較多，如何在設(shè)計(jì)中選擇所需要的芯片非常關(guān)鍵。我們可根據(jù)以下標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選擇芯片或模塊。發(fā)送和接收電路應(yīng)具有低功耗的工作模式，這樣在無(wú)線模塊暫停工作時(shí)可以盡可能的節(jié)能。當(dāng)然數(shù)據(jù)傳輸?shù)木幋a方式，外圍組件數(shù)量，發(fā)射功率，大小尺寸也應(yīng)在考慮的范圍之內(nèi)。同時(shí)在選擇單片機(jī)時(shí)需要考慮到是否滿足相應(yīng)射頻芯片的接口，能夠可靠穩(wěn)定的控制模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)通信。<

19、/p><p>　　2.1 聲音導(dǎo)引系統(tǒng)無(wú)線傳輸總體方案</p><p>　　根據(jù)對(duì)課題的分析和設(shè)計(jì)要求，本課題主要是解決主控模塊對(duì)移動(dòng)聲源在移動(dòng)過(guò)程中的定位控制，即涉及到無(wú)線傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)。無(wú)線傳輸模塊分為兩個(gè)部分，主控制模塊控制發(fā)送模塊，移動(dòng)聲源上搭載的從控制模塊控制接收模塊?，F(xiàn)確定以下總體工作方案，如圖2.1所示。聲音接收和處理模塊將接受到的聲音信號(hào)，在主控制模塊的控制下，通過(guò)計(jì)算分析，產(chǎn)生一

20、個(gè)可移動(dòng)聲源離指定位置的誤差信號(hào)，然后將控制移動(dòng)聲源的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送出去。同時(shí)無(wú)線接收模塊迅速接收到數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給移動(dòng)聲源，對(duì)移動(dòng)聲源進(jìn)行實(shí)時(shí)控制[5]。</p><p>　　圖2.1 短距離無(wú)線傳輸示意圖</p><p>　　2.2 控制模塊的選擇方案和論證</p><p>　　對(duì)于控制系統(tǒng)的選擇應(yīng)在滿足系統(tǒng)要求的基礎(chǔ)上選擇可靠性高，性價(jià)比高的，易

21、于上手控制的芯片?，F(xiàn)有以下方案可供選擇：</p><p>　　方案一：采用高性能嵌入式系統(tǒng)，比如ARM。ARM技術(shù)具有性能高、成本低和能耗省的特點(diǎn)。適用于多種領(lǐng)域，比如嵌入控制、消費(fèi)/教育類多媒體、DSP和移動(dòng)式應(yīng)用等。如果采用此方案，可以很好的解讀數(shù)據(jù)處理和控制功能，但是對(duì)ARM很少接觸，在短時(shí)間內(nèi)完成困難比較大。</p><p>　　方案二：采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，如FPGA，CPL

22、D。FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。但FPGA一般來(lái)說(shuō)比ASIC（專用集成芯片）的速度要慢，無(wú)法完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)，而且消耗更多的電能。本題屬于控制類，不適合采用此方案。</p&g

23、t;<p>　　方案三：采用兩片高性能單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。因曾經(jīng)對(duì)51系列單片機(jī)使用接觸過(guò)，對(duì)其有一定得實(shí)踐過(guò)程，在此選用STC89C51

24、單片機(jī)。一片用來(lái)處理音頻信號(hào)接收和無(wú)線傳輸芯片的發(fā)送，同時(shí)控制車載單片機(jī)，擔(dān)當(dāng)主控單片機(jī)。另一塊作為從控單片機(jī)，用來(lái)控制小車運(yùn)動(dòng)和無(wú)線傳輸芯片的接收[6]。</p><p>　　綜上所述，考慮到方案的可實(shí)行性和性價(jià)比，擬采用方案三作為主控系統(tǒng)，選用STC89C51單片機(jī)，其可實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)算，存儲(chǔ)空間大，價(jià)格低廉，性價(jià)比極高。</p><p>　　2.3 無(wú)線傳輸模塊的選擇方案和論證</

25、p><p>　　現(xiàn)在市面上有很多短距離無(wú)線傳輸模塊，在此要通過(guò)具體的要求選用適宜的模塊，應(yīng)注意低功耗處理和力求高性價(jià)比等細(xì)節(jié)。通過(guò)選用合適的無(wú)線傳輸模塊并配合外圍電路即可實(shí)現(xiàn)聲音導(dǎo)引系統(tǒng)中的無(wú)線傳輸模塊[5]。但進(jìn)行無(wú)線傳輸也有很多方案可供選擇，有比較傳統(tǒng)的無(wú)線傳輸模式，也有最近幾年剛剛發(fā)展的無(wú)線傳輸模式。無(wú)線傳輸?shù)男盘?hào)千差萬(wàn)別，各個(gè)模塊包含的具體器件也不一而，但其基本模塊圖都是相似的。</p><

26、;p>　　方案一：采用紅外線技術(shù)通信，紅外通信器件易得，價(jià)格低廉，基本上紅外線跟藍(lán)牙同樣都是無(wú)線傳輸，但是使用的頻帶不同。紅外線的原理就是利用可視紅光光譜之外的不可視光，就因?yàn)榧t外線也是光的一種，所以它也同樣具有光的特性,它無(wú)法穿越不透光的物體。使用者并不需要使用執(zhí)照即可以使用紅外線。例如，低速紅外線（Slow IR）應(yīng)用在電視遙控器上己有相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間了，其它像是錄像機(jī)、音響等遙控器也是。電視遙控器將特定的訊號(hào)編碼，然后透過(guò)紅

27、外線通訊技術(shù)將編碼送出，而設(shè)置在電視上的紅外線接收器收到編碼之后，將其進(jìn)行譯碼而得到原來(lái)的訊號(hào)。例如，電視端解得的訊號(hào)為加大音量，則譯碼后即進(jìn)行加大音量的動(dòng)作。低速紅外線是指其傳輸速率在每秒115.2Kbits者而言，它適用于傳送簡(jiǎn)短的訊息、文字或是檔案。有低速紅外線也有高速紅外線（Fast IR），它是指?jìng)鬏斔俾试诿棵?或是4Mbits者而言，其它更高傳輸速率則仍在發(fā)展中。對(duì)于網(wǎng)絡(luò)解決方案而言，高速紅外線可以說(shuō)是其基礎(chǔ)，包括檔案?jìng)鬏敗?/p>

28、局域網(wǎng)絡(luò)連結(jié)甚至是多媒體傳輸。 </p><p>　　但因其無(wú)法穿透墻壁傳輸，這也構(gòu)成其缺點(diǎn)之一。另一方面，紅外線也是一種低成本的無(wú)線傳輸形式。視線紅外線以射線般的直線形態(tài)傳輸數(shù)據(jù)，因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)是以直線前進(jìn)，如果傳輸?shù)穆吠局袥](méi)有任何的障礙物，則數(shù)據(jù)的傳輸可以說(shuō)相當(dāng)快速且具有效率的，因?yàn)榧t外線也是光的一種，所以它前進(jìn)的速度為光速。但是就像太陽(yáng)光一樣，紅外線不能穿透墻壁或是大型物體，所以，在數(shù)據(jù)收發(fā)的兩端必須相互對(duì)準(zhǔn)（

29、即可以看得見(jiàn)對(duì)方）才能進(jìn)行通訊，這對(duì)行動(dòng)通訊可能常常移動(dòng)位置的情形而言，是非常不利的，而且容易受到下雨、下雪或是霧氣的干擾。但必須直線收發(fā)是其致命弱點(diǎn)[7]。</p><p>　　方案二：采用無(wú)線藍(lán)牙傳輸。藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10m內(nèi)）的無(wú)線電技術(shù)，是為替代電纜而開(kāi)發(fā)出來(lái)的。能在包括移動(dòng)電話、PDA、無(wú)線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無(wú)線信息交換。利用藍(lán)牙技術(shù)，能夠有效地簡(jiǎn)化移動(dòng)通信終

30、端設(shè)備之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無(wú)線通信拓寬道路。藍(lán)牙采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及快跳頻和短包技術(shù)，支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信，工作在全球通用的2.4GHz ISM（即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段。其數(shù)據(jù)速率為1Mbps。采用時(shí)分雙工傳輸方案實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。現(xiàn)在藍(lán)牙已成為短距離無(wú)線通信的一種很熱門的技術(shù)。該種方案?jìng)鬏斝阅芎茫軌驅(qū)崿F(xiàn)中長(zhǎng)距離的無(wú)線傳輸，不過(guò)價(jià)格昂貴，集成度高，所需圍電路復(fù)雜，用此方案有些大材小用，且性價(jià)比低[8]。&

31、lt;/p><p>　　方案三：采用中短距離無(wú)線射頻模塊，如nRF2401、nRF905系列的模塊，應(yīng)用及編程非常簡(jiǎn)單，傳送的效率很高。硬件電路主要涉及到無(wú)線傳輸模塊的選擇，擬采用對(duì)比，檢測(cè)的手段，從性價(jià)比，傳輸速率，可靠性等方面進(jìn)行選擇。目前射頻無(wú)線傳輸模塊有nRF2401、nRF905、nRF24L01、RF903等，通過(guò)進(jìn)一步對(duì)比選用nRF2401無(wú)線傳輸模塊。nRF2401具有低功耗的工作模式，且傳輸速率能達(dá)

32、到1Mbps，很好的滿足本設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)通過(guò)編程用51單片機(jī)I/0口模擬SPI，不需要單片機(jī)真正的串口介入，只需要51單片機(jī)I/O口就可以。在目前較為流行的無(wú)線收發(fā)芯片中，無(wú)論是從使用的方便性、傳輸速度還是輸出功率等各個(gè)方面，nRF401均不失為一種較為理想的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸芯片。Nordic公司的nRF2401為無(wú)線收發(fā)一體芯片，和藍(lán)牙一樣,同樣工作在2.4-2.5GHz的ISM波段。nRF2401外圍組件僅10個(gè)左右，無(wú)需變?nèi)莨艿劝嘿F

33、的組件，只需要便宜且易于獲得的16MHz晶體，收發(fā)天線合一。并且綜合功耗較小,發(fā)射功率較高。nRF2401的單價(jià)低于3美元,而且便于開(kāi)發(fā),產(chǎn)品上市時(shí)間長(zhǎng),應(yīng)用廣泛,</p><p>　　綜上所述，選擇方案三采用無(wú)線收發(fā)模塊nRF2401傳輸，其具有高可靠性，傳輸速度快，相比其它方案更具低功耗，性價(jià)比高，且容易上手。</p><p>　　2.4 無(wú)線傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)語(yǔ)言方案</p>

34、;<p>　　方案一：采用匯編語(yǔ)言，匯編語(yǔ)言比機(jī)器語(yǔ)言易于讀寫、調(diào)試和修改，同時(shí)具有機(jī)器語(yǔ)言全部?jī)?yōu)點(diǎn)。但在編寫復(fù)雜程序時(shí)，相對(duì)高級(jí)語(yǔ)言代碼量較大，而且匯編語(yǔ)言依賴于具體的處理器體系結(jié)構(gòu)，不能通用，因此不能直接在不同處理器體系結(jié)構(gòu)之間移植。 </p><p>　　方案二：采用C語(yǔ)言，它既具有高級(jí)語(yǔ)言的特點(diǎn)，又具有匯編語(yǔ)言的特點(diǎn)。它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫系統(tǒng)應(yīng)用程序，也可以作為應(yīng)用程

35、序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，編寫不依賴計(jì)算機(jī)硬件的應(yīng)用程序。因此，它的應(yīng)用范圍廣泛，不僅僅是在軟件開(kāi)發(fā)上，而且各類科研都需要用到C語(yǔ)言，具體應(yīng)用比如單片機(jī)以及嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)。由于C語(yǔ)言允許直接訪問(wèn)物理地址，可以直接對(duì)硬件進(jìn)行操作，因此能夠像匯編語(yǔ)言一樣對(duì)位、字節(jié)和地址進(jìn)行操作，而這三者是計(jì)算機(jī)最基本的工作單元，可用來(lái)寫系統(tǒng)軟件。此外, C語(yǔ)言生成目標(biāo)代碼質(zhì)量高，程序執(zhí)行效率高具有很強(qiáng)的通用性，C語(yǔ)言具有強(qiáng)大的繪圖能力，可移植性好，并具備很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能

36、力，因此編寫系統(tǒng)軟件簡(jiǎn)潔，且程序設(shè)計(jì)自由度大，相對(duì)匯編語(yǔ)言更能明白易懂[6]。</p><p>　　綜上所述，選用方案二，用C語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　2.5 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了對(duì)本次課題無(wú)線傳輸模塊各個(gè)器件以及軟件程序應(yīng)用的選擇，通過(guò)論證各種方案的利弊和操作的簡(jiǎn)便性以及各方案的性價(jià)比，

37、選擇了以STC89C51單片機(jī)為控制芯片，nRF2401為無(wú)線傳輸模塊的設(shè)計(jì)方案，以C語(yǔ)言編寫程序。下一章我們將要在在方案確定的基礎(chǔ)上對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。</p><p>　　3 基于NRF2401無(wú)線傳輸硬件電路模塊設(shè)計(jì)</p><p>　　硬件電路連接實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與nRF2401A芯片的接口連接。發(fā)送端與接收端硬件連接幾乎一樣，具有通用性，可以實(shí)現(xiàn)半雙工通信。STC89C51單片機(jī)沒(méi)有S

38、PI接口，但可以利用I/O口模擬SPI口，繼而與nRF2401A相連。由于STC89C51單片機(jī)的供電電壓是5V，而nRF2401A的供電范圍為1.9～3.6V，為了使芯片正常工作，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和分壓處理。</p><p>　　3.1 電壓轉(zhuǎn)換電路模塊設(shè)計(jì) </p><p>　　由于nRF2401的供電電壓范圍為1．9～3．6V，超過(guò)3.6V將會(huì)燒毀模塊。而STC89C51單片機(jī)的供電

39、電壓是5 V，為了使芯片正常工作，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。單電源供電時(shí)，采用LM1117T芯片進(jìn)行5 v～3.3 V電平轉(zhuǎn)換。LM1117T是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負(fù)載電流為800mA時(shí)為1.2V。它與國(guó)家半導(dǎo)體的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)器件LM317有相同的管腳排列。LM1117T有5個(gè)固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V、3.3V和5V）的型號(hào)。LM1117T提供電流限制和熱保護(hù)。電路包含1個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保

40、輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)[10]。</p><p>　　電路圖如圖3.1所示。輸入電壓經(jīng)過(guò)LM1117T芯片轉(zhuǎn)換，電壓由單片機(jī)輸出的5V電壓變?yōu)?.3V電壓，輸出端是一個(gè)10uF的鉭電容，用來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。滿足nRF2401A芯片的電壓要求。</p><p>　　圖 3.1 電源電壓轉(zhuǎn)換原理圖</p><p>　　3.2 無(wú)線傳輸模塊nRF240

41、1接口電路圖設(shè)計(jì)</p><p>　　nRF2401A是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式滿足設(shè)計(jì)的要求，并且在做系統(tǒng)節(jié)能的設(shè)計(jì)時(shí)更加方便。</p><p&g

42、t;　　3.2.1 nRF2401芯片結(jié)構(gòu)</p><p>　　nRF2401內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很少的外圍組件，因此使用起來(lái)方便。nRF2401的功能模塊如圖3.2所示。</p><p>　　圖 3.2 nRF2401A 功能模塊圖</p><p>　　3.2.

43、2 nRF2401引腳說(shuō)明</p><p>　　nRF2401A引腳功能如表3.1所示，通過(guò)對(duì)引腳功能的了解和掌握，確定器件所能執(zhí)行的任務(wù)，并能很好的簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)程序的編寫。</p><p>　　nRF2401最高工作速率1Mbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)。125 頻道，滿足多點(diǎn)通信和跳頻通信需要。其內(nèi)置硬件CRC檢錯(cuò)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制，能更好的檢測(cè)數(shù)據(jù)和防止誤碼率。

44、此外在待機(jī)模式下?tīng)顟B(tài)僅為1uA ，能夠很好的節(jié)耗。內(nèi)置專門穩(wěn)壓電路，使用各種電源包括DC/DC 開(kāi)關(guān)電源均有很好的通信效果。nRF2401配置外置天線，空曠地傳輸距離可達(dá)50-100米，具有更遠(yuǎn)的有效距離。與51系列單片機(jī)P0口連接時(shí)候，需要加10K的上拉電阻，否則容易燒毀模塊。</p><p>　　表3.1 nRF2401A引腳功能表</p><p>　　3.2.3 nRF2401無(wú)線傳

45、輸模塊接口</p><p>　　nRF2401無(wú)線傳輸模塊使用Nordic公司的nRF2401A芯片開(kāi)發(fā)而成。外置天線，具有更小的尺寸，長(zhǎng)度為29mm，寬度為16mm，電路圖如圖3.3所示。單片機(jī)通過(guò)PWM_UP，CE， CS三端設(shè)置nRF2401的工作模式。配置模式時(shí)單片機(jī)通過(guò)CLKI和DATA端向nRF2401發(fā)送配置字，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)CLK1和DATA端向nRF2401發(fā)送地址和數(shù)據(jù)，接收數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)CLK1

46、和DATA端從nRF2401讀取數(shù)據(jù)，DR1是nRF2401通知單片機(jī)已經(jīng)接收到數(shù)據(jù)并且可以讀取的狀態(tài)信號(hào)。CLK2、DOUT 和DR2端為通道二保留使用，nRF2401可以同時(shí)接收兩路信號(hào)。</p><p>　　圖3.3 nRF2401模塊電路圖</p><p>　　其中無(wú)線模塊為標(biāo)準(zhǔn)DIP 插針，共12腳，排陣間距為100mil，在電路設(shè)計(jì)中只需要留出12針插槽，就可以很方便的插拔無(wú)線

47、模塊。如圖3.4所示：11、12腳為接地腳，需要和母板的邏輯地連接起來(lái)，2腳為接電壓端，需要和電壓轉(zhuǎn)換模塊輸出腳相連。除電源VCC和接地端，其余腳都可以直接和普通的5V單片機(jī)I/O口直接相連，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換[2][12]。</p><p>　　圖3.4 無(wú)線模塊接口電路</p><p>　　3.3 單片機(jī)控制模塊電路設(shè)計(jì)</p><p>　　單片機(jī)工作的最小系統(tǒng)如圖3

48、.5所示，包括電源線、地線，晶振的設(shè)計(jì)。能滿足一般電路功能的實(shí)現(xiàn)要求[11]。</p><p>　　圖3.5 單片機(jī)控制模塊電路</p><p>　　主控芯片選用的是STC89C51單片機(jī)，STC89C51是一款高性能、低功耗的8Byte微控制器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容的單片機(jī)。具有豐富強(qiáng)大的外部接口性能，32可編程I/O線，可編程串行通道，片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路。其

49、內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 STC89C51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　STC89C51單片機(jī)內(nèi)部主要包括累加器ACC(有時(shí)也簡(jiǎn)稱為A)、程序狀態(tài)字PSW、地址指示器DPTR、只讀存儲(chǔ)器ROM、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、寄存器、并行I/O接口P0～P3、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及定時(shí)控制邏輯電路等 [6]。其管腳圖如圖3.7所示。</p><p&

50、gt;　　圖3.7 STC89C51 單片機(jī)管腳圖</p><p>　　STC89C51單片機(jī)I/O管腳功能介紹：</p><p>　　P0口:P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0口與nRF2401接口連接時(shí)候，需要加10K的上拉電阻，否則容易燒毀模塊。</p><p>　　P1口:P1口

51、是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。</p><p>　　P2口:P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電

52、流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。</p><p>　　P3口:P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故[11]。 </p><p>　　無(wú)線傳輸控制系統(tǒng)硬件電路圖如圖3.8所示，為防止STC89C51的I/O口電流過(guò)大燒壞nRF

53、2401模塊，在單片機(jī)與接口之間串聯(lián)2K歐姆電阻分壓，能滿足一般電路功能的實(shí)現(xiàn)要求，如要實(shí)現(xiàn)其他功能，可在電路中擴(kuò)展。</p><p>　　圖3.8 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路圖</p><p><b>　　3.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章主要針對(duì)電路模塊設(shè)計(jì)部分進(jìn)行了具體的細(xì)化分析。分別從單片機(jī)的主模塊設(shè)計(jì)、無(wú)線模塊設(shè)計(jì)等方面詳細(xì)的

54、對(duì)電路部分進(jìn)行學(xué)習(xí)和對(duì)比，使得我們能夠更加清晰的了解單片機(jī)控制無(wú)線傳輸模塊的電路和硬件部分的合理設(shè)計(jì)也要我們引起注意。通過(guò)本章的介紹，可以了解了整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案以及實(shí)現(xiàn)原理。下一章將具體對(duì)無(wú)線傳輸系統(tǒng)軟件各部分的設(shè)計(jì)。</p><p>　　4 無(wú)線傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是一個(gè)項(xiàng)目工程的精髓，好的程序設(shè)計(jì)能夠很好的彌補(bǔ)硬件的不足，并能使系統(tǒng)的功能得到拓展

55、。在本系統(tǒng)中，我采用的是分析，畫流程圖再編程序的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。流程圖是程序的要點(diǎn)，能夠很好的指導(dǎo)程序的編寫，并能提高編寫程序的效率。</p><p>　　4.1 利用STC89C51的I/O口模擬SPI口</p><p>　　SPI（Serial Peripheral Interface--串行外設(shè)接口）總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，它可以使MCU與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信以交換信

56、息。SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM,FLASH,實(shí)時(shí)時(shí)鐘,AD轉(zhuǎn)換器,還有數(shù)字信號(hào)處理器和數(shù)字信號(hào)解碼器之間。外圍設(shè)置FLASH RAM、網(wǎng)絡(luò)控制器、LCD顯示驅(qū)動(dòng)器、A/D轉(zhuǎn)換器和MCU等。SPI總線系統(tǒng)可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接接口，該接口一般使用4條線：串行時(shí)鐘線（SCK）、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI和低電平有效的從機(jī)選擇線SS（有的SPI接口芯片帶有中斷信號(hào)線INT或IN

57、T、有的SPI接口芯片沒(méi)有主機(jī)輸出/從機(jī)輸入數(shù)據(jù)線MOSI）。由于SPI系統(tǒng)總線一共只需3～4位數(shù)據(jù)線和控制即可實(shí)現(xiàn)與具有SPI總線接口功能的各種I/O器件進(jìn)行接口，而擴(kuò)展并行總線則需要8根數(shù)據(jù)線、8～16位地址線、2～3位控制線，因此，采用SPI總線接口可以簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)省很多常規(guī)電路中的接口器件和I/O口線，提高設(shè)計(jì)的可靠性。 </p><p>　　由此可見(jiàn)，在MCS51系列等不具有SPI接口的單片機(jī)

58、組成的智能儀器和工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)中，當(dāng)傳輸速度要求不是太高時(shí)，使用SPI總線可以增加應(yīng)用系統(tǒng)接口器件的種類，提高應(yīng)用系統(tǒng)的性能[15]。 </p><p>　　4.1.1 SPI總線的組成</p><p>　　SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸,在主器件的移位脈沖下,數(shù)據(jù)按位傳輸,高位在前,低位在后,為全雙工通信,數(shù)據(jù)傳輸速度總體來(lái)說(shuō)比I2C總線要快,速度可達(dá)到10M

59、bps。SPI接口內(nèi)部硬件如圖4.1所示。SPI接口是以主從方式工作的,這種模式通常有一個(gè)主器件和一個(gè)或多個(gè)從器件,其接口包括以下四種信號(hào)：</p><p>　　(1) MOSI – 主器件數(shù)據(jù)輸出,從器件數(shù)據(jù)輸入；</p><p>　　(2) MISO – 主器件數(shù)據(jù)輸入,從器件數(shù)據(jù)輸出；</p><p>　　(3) SCLK – 時(shí)鐘信號(hào),由主器件產(chǎn)生；<

60、/p><p>　　(4) SS–從器件使能信號(hào),由主器件控制。</p><p>　　圖 4.1 SPI接口內(nèi)部硬件圖</p><p>　　三線SPI組成：串行時(shí)鐘(SCLK)、串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)、串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)。SPI總線可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)SPI設(shè)備互相連接。提供SPI串行時(shí)鐘的SPI設(shè)備為SPI主機(jī)或主設(shè)備(Master)，其它設(shè)備為SPI從機(jī)或從設(shè)備(Slav

61、e)。利用SPI總線可在軟件的控制下構(gòu)成各種系統(tǒng)。如1個(gè)主MCU和幾個(gè)從MCU、幾個(gè)從MCU相互連接構(gòu)成多主機(jī)系統(tǒng)（分布式系統(tǒng)）、1個(gè)主MCU和1個(gè)或幾個(gè)從I/O設(shè)備所構(gòu)成的各種系統(tǒng)等。在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合，可使用1個(gè)MCU作為控機(jī)來(lái)控制數(shù)據(jù)，并向1個(gè)或幾個(gè)從外圍器件傳送該數(shù)據(jù)。從器件只有在主機(jī)發(fā)命令時(shí)才能接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。SPI總線接口系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)如圖4.2所示[15]。</p><p>　　圖4.2 SPI總線接

62、口系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)</p><p>　　4.1.2 SPI接口的原理和應(yīng)用</p><p>　　當(dāng)一個(gè)主控機(jī)通過(guò)SPI與幾種不同的串行I/O芯片相連時(shí)，必須使用每片的允許控制端，這可通過(guò)MCU的I/O端口輸出線來(lái)實(shí)現(xiàn)。但應(yīng)特別注意這些串行I/O芯片的輸入輸出特性：首先是輸入芯片的串行數(shù)據(jù)輸出是否有三態(tài)控制端。平時(shí)未選中芯片時(shí)，輸出端應(yīng)處于高阻態(tài)。若沒(méi)有三態(tài)控制端，則應(yīng)外加三態(tài)門。否則MCU的

63、MISO端只能連接1個(gè)輸入芯片。其次是輸出芯片的串行數(shù)據(jù)輸入是否有允許控制端。因此只有在此芯片允許時(shí)，SCK脈沖才把串行數(shù)據(jù)移入該芯片。在禁止時(shí)，SCK對(duì)芯片無(wú)影響。若沒(méi)有允許控制端，則應(yīng)在外圍用門電路對(duì)SCK進(jìn)行控制，然后再加到芯片的時(shí)鐘輸入端。四線SPI模式用附加控制線，來(lái)允許從機(jī)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，它由主機(jī)控制。SPI接口是在CPU和外圍低速器件之間進(jìn)行同步串行數(shù)據(jù)傳輸,在主器件的移位脈沖下,數(shù)據(jù)按位傳輸,高位在前,低位在后,為全雙

64、工通信，其工作原理圖如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3 SPI工作原理圖</p><p>　　如果用通用I/O口模擬SPI總線，必須要有一個(gè)輸出口(SDO)，一個(gè)輸入口(SDI)，另一個(gè)口則視實(shí)現(xiàn)的設(shè)備類型而定，如果要實(shí)現(xiàn)主從設(shè)備，則需輸入輸出口，若只實(shí)現(xiàn)主設(shè)備，則需輸出口即可，若只實(shí)現(xiàn)從設(shè)備，則只需輸入口即可。SPI不需要固定的波特率，因?yàn)樗怯袝r(shí)鐘的協(xié)議。在多個(gè)從器件的系統(tǒng)

65、中,每個(gè)從器件需要獨(dú)立的使能信號(hào),硬件上比I2C系統(tǒng)要稍微復(fù)雜一些。SPI接口在內(nèi)部硬件實(shí)際上是兩個(gè)簡(jiǎn)單的移位寄存器,傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為8位,在主器件產(chǎn)生的從器件使能信號(hào)和移位脈沖下,按位傳輸,高位在前,低位在后。SPI接口工作時(shí)序如圖4.4所示,在SCLK的下降沿上數(shù)據(jù)改變,同時(shí)一位數(shù)據(jù)被存入移位寄存器[15]。</p><p>　　圖 4.4 SPI接口工作時(shí)序圖</p><p>　　4.1

66、.3 利用I/O口模擬SPI</p><p>　　使用STC89C51單片機(jī)的I/O口來(lái)模擬SPI的操作原理如圖4.5所示。</p><p>　　圖4.5 SPI接口連接原理圖</p><p>　　I/O口模擬SPI口流程圖如4.6所示。使用P2.2、P2.5、P2.4模擬SPI的CS、DATA、CLK1。對(duì)于不同的串行接口外圍芯片，它們的時(shí)鐘時(shí)序是不同的。對(duì)于在C

67、LK的上升沿輸入（接收）數(shù)據(jù)和在下降沿輸出（發(fā)送）數(shù)據(jù)的器件，將其串行時(shí)鐘輸出口CLK的初始狀態(tài)設(shè)置為0，而在接收后再置CLK為1。這樣，單片機(jī)在輸出1位CLK時(shí)鐘的同時(shí)，將1位數(shù)據(jù)通過(guò)STC89C51單片機(jī)的P2.3口輸出給無(wú)線發(fā)送模塊的DATA引腳（模擬MCU的MOSI線）。此后再置CLK為0，模擬下1位數(shù)據(jù)的輸入輸出，依此循環(huán)8次，即可完成1次單片機(jī)通過(guò)SPI總線向nRF2401傳輸8位數(shù)據(jù)的操作。此函數(shù)功能是模擬SPI口寫一字節(jié)

68、數(shù)據(jù)[13]。</p><p>　　NRF_CLK1=0; //時(shí)鐘初始為0</p><p>　　for(i=8;i>0;i--) </p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(c&0x80) NRF_DATA=1; </p><p>　　else NRF

69、_DATA=0; </p><p>　　NRF_CLK1=1;// 上升沿觸發(fā)</p><p><b>　　c<<=1;</b></p><p>　　NRF_CLK1=0;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　同理，無(wú)線接收模塊在接收到數(shù)

70、據(jù)時(shí)通過(guò)DR1引腳通知單片機(jī)從發(fā)送模塊中取出數(shù)據(jù)。無(wú)線接收模塊在CLK的上升沿輸入（接收）數(shù)據(jù)和在下降沿將接受到的數(shù)據(jù)輸出給STC89C51單片機(jī)的P2.3（模擬MCU的MISO線）1位數(shù)據(jù)。此后再置CLK為0，模擬下1位數(shù)據(jù)的輸入輸出，依此循環(huán)8次，即可完成1次nRF2401通過(guò)SPI總線向單片機(jī)傳輸8位數(shù)據(jù)的操作[15]。</p><p>　　圖 4.6 I/O模擬SPI接口傳輸數(shù)據(jù)流程</p>

71、<p>　　4.2 無(wú)線傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)</p><p>　　4.2.1 nRF2401的工作模式轉(zhuǎn)換</p><p>　　nRF2401有工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE和CS三個(gè)引腳決定，如表4.1所示。PWR_UP決定是否處在關(guān)機(jī)模式, CE決定是否允許收發(fā)信號(hào),分別與單片機(jī)的P2.0、P2.1連

72、接。掌握其工作模式配置是編程序時(shí)各模式之間的切換的前提。nRF2401A的收發(fā)模式有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，收發(fā)模式由器件配置字決定。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求和綜合考慮，本系統(tǒng)采用ShockBurstTM收發(fā)模式。</p><p>　　使nRF2401工作于ShockBurstTM收發(fā)模式，系統(tǒng)的程序編制會(huì)簡(jiǎn)單，并且穩(wěn)定性也會(huì)更高。在Shockburst TM模式下，nRF2401使用片內(nèi)的先

73、入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速?gòu)奈⒖刂破魉腿耄愿咚伲?Mbps或者250kbps）發(fā)射數(shù)據(jù)，這樣可以盡可能的節(jié)能，低耗，并且使用STC89C51也能實(shí)現(xiàn)高速的發(fā)射速率。而且，與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行，這種做法有三大好處：節(jié)能；低的系統(tǒng)費(fèi)用(低速微處理器也能進(jìn)行高速射頻發(fā)射)；數(shù)據(jù)在空中停留時(shí)間短，抗干擾性高。nRF2401A的ShockBurstTM技術(shù)同時(shí)也減小了整個(gè)系統(tǒng)的平均工作電流。單片機(jī)對(duì)nRf2401的編程包括對(duì)

74、nRF2401進(jìn)行配置、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)等子程序。</p><p>　　表4.1 nRF2401A工作模式設(shè)置</p><p>　　對(duì)nRF2401工作模式的轉(zhuǎn)換是通過(guò)對(duì)PWR_UP 、CE和CS的設(shè)定來(lái)完成的[12][16]。例如使nRF2401切換到發(fā)送模式，程序如下：首先使三個(gè)引腳分別為1、0、1使器件工作在配置模式，然后延時(shí)，再使其配置為發(fā)送模式。</p><

75、p>　　NRF_PWR=1;</p><p>　　NRF_CE=0; </p><p>　　NRF_CS=1; // 101使器件切換到配置模式</p><p>　　NRF_Delay();</p><p>　　NRF_DATA=0;// RXEN=0: 發(fā)送模式</p><p>　　NRF_CLK1=1;&l

76、t;/p><p>　　NRF_CLK1=0;</p><p><b>　　NRF_CE=1;</b></p><p>　　NRF_CS=0;</p><p>　　NRF_Delay();</p><p>　　4.2.2 Shockburst TM模式下數(shù)據(jù)幀格式</p><p&g

77、t;　　nRF2401內(nèi)置CRC糾檢錯(cuò)硬件電路和協(xié)議,發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)加上處理字頭和CRC碼,接收數(shù)據(jù)時(shí)自動(dòng)把字頭和CRC碼移去。每個(gè)芯片可通過(guò)軟件設(shè)置最多40 bit地址,而且只有收到與本機(jī)地址一致時(shí)才會(huì)接收數(shù)據(jù)。nRF2401在突發(fā)傳遞模式下的幀格式見(jiàn)圖4.7所示。</p><p>　　圖 4.7 nRF2401的幀格式</p><p>　　RE－AMBLE 為數(shù)據(jù)包頭，可設(shè)為4 bit

78、 或8 bit。它的值與ADDRESS 第1 位有關(guān)。當(dāng)ADDRESS 第1 位為0時(shí)，包頭取值為01010101，反之則為10101010。一幀數(shù)據(jù)從ADDRESS 到CRC 最多包含256 bit。ADDRESS 為接收方通道硬件地址段，可設(shè)定為8～40 bit，只有符合本機(jī)硬件地址的數(shù)據(jù)幀才會(huì)被接收。CRC 為數(shù)據(jù)校驗(yàn)段，可設(shè)定8 bit 或16 bit 校驗(yàn)位。PLYLOAD 段為待發(fā)送數(shù)據(jù)段， 長(zhǎng)度為幀長(zhǎng)度減去ADDRESS

79、段和CRC 段的長(zhǎng)度。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，控制器將數(shù)據(jù)寫入nRF2401，控制其將數(shù)據(jù)按幀格式打包無(wú)線發(fā)送；接收數(shù)據(jù)時(shí)，nRF2401 一旦檢測(cè)到符合本機(jī)硬件地址的數(shù)據(jù)幀， 便將數(shù)據(jù)幀解包，DR 信號(hào)置1 請(qǐng)求控制器讀取數(shù)據(jù)[12]。</p><p>　　4.2.3 nRF2401的配置模式流程</p><p>　　nRF2401上電以后首先必須通過(guò)STC89C51對(duì)其進(jìn)行配置，單片機(jī)首先將nRF

80、2401設(shè)為配置模式，nRF2401的所有配置工作都是通過(guò)CS、CLK1和DATA三個(gè)引腳完成，把其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式需要15字節(jié)的配置字。nRF2401配置字各個(gè)位如表5.1所示：</p><p>　　表4.2 nRF2401配置字</p><p>　　(1) ShockBurstTM的配置</p><p>　　ShockBurstTM的配置字

81、使nRF2401能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，在nRF2401工作的過(guò)程中，只需改變其最低一個(gè)字節(jié)中的內(nèi)容，就可以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間切換[13]。ShockBurstTM的配置字分為以下四個(gè)部分：</p><p>　　數(shù)據(jù)寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分接收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)碼，下面程序是對(duì)頻道1單個(gè)數(shù)據(jù)包的大小小于32字節(jié)； #define

82、DATA1_W0x20 </p><p>　　地址寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù)； #define ADDR_W0x10</p><p>　　地址：接收數(shù)據(jù)的地址，對(duì)信道1的地址的配置如下；</p><p>　　#define ADDR1_4 0x00 </p>&l

83、t;p>　　#define ADDR1_3 0xcc </p><p>　　#define ADDR1_2 0xcc </p><p>　　#define ADDR1_1 0xcc</p><p>　　#define ADDR1_0 0xcc </p><p>　　CRC：使nRF2401能夠生成CRC校驗(yàn)碼和解碼。當(dāng)使用nR

84、F2401片內(nèi)的CRC技術(shù)時(shí)，首先在配置字中CRC校驗(yàn)被使能，對(duì)CRC_EN設(shè)置為 0x1即使能。對(duì)CRC_L設(shè)置為0x1即16位校驗(yàn)。發(fā)送和接收應(yīng)使用相同的協(xié)議。</p><p>　　#define CRC_EN 0x1</p><p>　　#define CRC_L 0x1</p><p>　　ShockBurstTM配置時(shí)序圖如4.8所示。在C

85、LK1的上升沿開(kāi)始最高位（MSB）移入nRF2401模塊，全部配置15字節(jié)配置數(shù)據(jù)均移入后，由單片機(jī)將CS、CE設(shè)為工作模式，此時(shí)nRF2401將刷新內(nèi)部配置并使得新配置立即生效。即新的配置字在CS的下降沿后開(kāi)始生效。上電后第一次配置時(shí)必須將15字節(jié)配置字全部移入。在配置模式下，要保證PWR_UP引腳為高電平，CE引腳為低電平。在掉電和待機(jī)模式工作后，配置內(nèi)容仍然生效。配置數(shù)據(jù)只有當(dāng)電源撤銷后才會(huì)丟失[12]。 </p>

86、<p>　　圖4.8 nRF2401A配置模式時(shí)序圖</p><p><b>　?。?）器件的配置</b></p><p>　　對(duì)器件的配置時(shí)保證器件按設(shè)計(jì)思想進(jìn)行的基本要求，對(duì)nRF2401基本工作方式的配置如下面函數(shù)所示。傳輸速率有兩種選擇250Kbps和1Mbps，250Kbps比1Mbps傳輸?shù)倪h(yuǎn)，本設(shè)計(jì)為了使模塊能夠?qū)崟r(shí)快速而且不影響傳輸質(zhì)量，在多

87、次試驗(yàn)后選擇了1Mbps。信號(hào)發(fā)射功率選擇如表4.3所示，選擇為0dBm。晶振頻率配置表如圖4.4所示，選擇為16MHz[2]。 </p><p>　　#define RX2_EN0x0 //雙頻道功能0:禁用1:啟用</p><p>　　#define CM0x1 //ShockBurstTM模式</p><p>　　#define RFDR_SB

88、0x1 // 1Mbps </p><p>　　#define XO_F0x3 //晶振頻率 16MHz</p><p>　　#define RF_PWR 0x3 //發(fā)射功率0dbm</p><p>　　#define RF_CH0x20// 信道頻率</p><p>　　#define RXEN0x1

89、 // 接收使能</p><p>　　表4.3 信號(hào)發(fā)射功率選擇</p><p>　　表4.4 晶振頻率配置</p><p>　　4.2.4 nRF2401發(fā)送模式流程</p><p>　　圖4.9為發(fā)送端時(shí)序，圖4.10為發(fā)送模塊發(fā)射流程圖， ShockBurstTM發(fā)射流程如下：需要用到的接口引腳為CE、CLK1、DATA。</p

90、><p>　　（1）單片機(jī)首先通過(guò)配置模式將nRF2401設(shè)為發(fā)射模式。</p><p>　?。?）單片機(jī)設(shè)定CE=1，nRF2401進(jìn)入工作模式。</p><p>　?。?）單片機(jī)將接收節(jié)點(diǎn)的地址和數(shù)據(jù)順序通過(guò)CLK1、DATA送入nRF2401。</p><p>　?。?）CE=0，nRF2401啟動(dòng)內(nèi)部處理并將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。</p&g

91、t;<p>　?。?）nRF2401A進(jìn)行ShockBurstTM發(fā)射，依次：</p><p><b>　　給射頻前端供電；</b></p><p>　　射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、CRC校驗(yàn)碼)；</p><p><b>　　高速發(fā)射數(shù)據(jù)包；</b></p><p>　?。?）全部數(shù)據(jù)發(fā)送

92、完后，nRF2401進(jìn)入空閑模式，等待下一數(shù)據(jù)的發(fā)送，此時(shí)為 低功耗。</p><p>　　圖 4.9 nRF2401發(fā)送模式時(shí)序圖</p><p>　　圖 4.10 nRF2401發(fā)送模式流程圖</p><p>　　nRF2401A空閑模式是為了減小平均工作電流而設(shè)計(jì)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)，縮短芯片的起動(dòng)時(shí)間，能很好的滿足低功耗的要求。在

93、空閑模式下，部分片內(nèi)晶振仍在工作，此時(shí)的工作電流跟外部晶振的頻率有關(guān)，如外部晶振為4MHz時(shí)工作電流為12u A，外部晶振為16MHz時(shí)工作電流為32uA。在空閑模式下，配置字的內(nèi)容保持在nRF2401A片內(nèi)。</p><p>　　4.2.5 nRF2401接收模式流程</p><p>　　接收模塊需要與發(fā)射模塊地址一致才會(huì)接收數(shù)據(jù)，在接收數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)把字頭和CRC校驗(yàn)碼移去，DR1引腳是

94、數(shù)據(jù)接收完畢信號(hào)端，當(dāng)有數(shù)據(jù)需要接收時(shí)DR1為高，單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)后DR1變低。單片機(jī)中斷時(shí)低電平觸發(fā)，而nRF2401的中斷信號(hào)DR1是高電平，因此在DR1端加了反相器。</p><p>　　nRF2401A接收時(shí)序圖如圖4.11所示，4.12為接收流程圖。ShockBurstTM接收流程：需要的接口引腳CE、DR1、CLK1和DATA。</p><p>　?。?）單片機(jī)首先通過(guò)配置模式將

95、nRF2401設(shè)為接收模式。</p><p>　?。?）單片機(jī)設(shè)定CE=1，200us后，nRF2401進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來(lái)；</p><p>　　（3）當(dāng)nRF2401接收到數(shù)據(jù)與設(shè)置的本機(jī)地址一致且CRC校驗(yàn)正確時(shí)，通過(guò)DR1輸出高電平（DR1可由單片機(jī)查詢或觸發(fā)單片機(jī)中斷）。nRF2401A自動(dòng)把字頭、地址和CRC校驗(yàn)位移去；</p><p>　?。?/p>

96、4）單片機(jī)通過(guò)CLK1、DATA讀取接收到的數(shù)據(jù)當(dāng)單片機(jī)讀出最后1字?jǐn)?shù)據(jù)后，DR1變?yōu)榈停藭r(shí)，如果CE為高，則等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包，如果CE為低，開(kāi)始其它工作流程[12]。</p><p>　　圖 4.11 nRF2401接收模式時(shí)序圖</p><p>　　圖 4.12 nRF2401A接收模式流程圖</p><p><b>　　4.3 本章小結(jié)</b

97、></p><p>　　這一章我們主要介紹了實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的程序流程，可以得知，通過(guò)合理的流程設(shè)計(jì)和分析，我們可以很清晰明了的將所要解決的問(wèn)題快速實(shí)現(xiàn)。而且我們可以從這個(gè)問(wèn)題總結(jié)出，要解決問(wèn)題可以先對(duì)它的框架做出一個(gè)總體設(shè)計(jì)，然后根據(jù)一個(gè)合理的思路將問(wèn)題迅速解決。</p><p><b>　　5 系統(tǒng)調(diào)試</b></p><p>　　5.1

98、 單片機(jī)模擬SPI同步數(shù)據(jù)傳輸調(diào)試</p><p>　　本設(shè)計(jì)是數(shù)據(jù)的高速傳輸，并帶有命令的傳輸，必須保證數(shù)據(jù)的傳輸正確，否則主控單片機(jī)發(fā)送命令不成功，從控單片機(jī)接收數(shù)據(jù)不正確。為提高系統(tǒng)的可靠性，必須保證模擬SPI口的可靠性?，F(xiàn)在采用示波器采集數(shù)據(jù)：A.單片機(jī)控制無(wú)線模塊A的CLK1和DATA發(fā)出的數(shù)據(jù)；B. 單片機(jī)控制無(wú)線模塊B的CLK1和DATA發(fā)出的數(shù)據(jù)。通過(guò)示波器檢測(cè)引腳信號(hào)的對(duì)應(yīng)情況來(lái)檢測(cè)單片機(jī)與無(wú)線

99、傳輸模塊同步通信的正確性。</p><p>　　單片機(jī)要求發(fā)出的數(shù)據(jù)應(yīng)與無(wú)線模塊引腳CLK1和DATA發(fā)出的數(shù)據(jù)完全符合。圖5.1上部分為無(wú)線傳輸模塊A時(shí)鐘CLK1，下部分模塊A的DATA引腳發(fā)出的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，發(fā)出的數(shù)據(jù)為：0x54，與程序設(shè)定值完全匹配。圖5.2上部分為時(shí)鐘，下部分為從機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出，發(fā)出的數(shù)據(jù)為：0x33，與程序設(shè)定值完全匹配。</p><p>

100、　　圖5.1 無(wú)線模塊A的CLK1與DATA發(fā)出的數(shù)據(jù)</p><p>　　圖5.2 無(wú)線模塊B的CLK1與DATA發(fā)出的數(shù)據(jù)</p><p>　　5.2 無(wú)線數(shù)傳模塊nRF2401任意字節(jié)數(shù)據(jù)的傳輸</p><p>　　主控單片機(jī)通過(guò)無(wú)線發(fā)送模塊向無(wú)線接收模塊發(fā)出命令，進(jìn)而控制小車的運(yùn)行方向，把準(zhǔn)備好的任意字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送給小車上的從控單片機(jī)，當(dāng)然一次只能是32字節(jié)

101、(一個(gè)數(shù)據(jù)包)。當(dāng)接受到正確的數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)線接收模塊引腳DR1被nRF2401置高，引發(fā)單片機(jī)中斷，單片機(jī)把所有數(shù)據(jù)讀取完畢后，DR1變低。單片機(jī)再接收下一個(gè)數(shù)據(jù)包，直到數(shù)據(jù)接收完為止。利用DR1此工作特點(diǎn)，檢測(cè)DR1引腳電平的變化，可知模塊是否正常工作。</p><p>　　當(dāng)主控單片機(jī)發(fā)出數(shù)據(jù)時(shí)，無(wú)線發(fā)送模塊隨后發(fā)出一串?dāng)?shù)據(jù)，經(jīng)驗(yàn)證數(shù)據(jù)沒(méi)有丟失且沒(méi)有錯(cuò)誤的現(xiàn)象出現(xiàn)。在數(shù)據(jù)接收后，DR1引腳電平能產(chǎn)生高低變化。圖

102、5.3顯示了接收模塊收到發(fā)送模塊發(fā)回的數(shù)據(jù)，用示波器采集。圖中為部分?jǐn)?shù)據(jù)與時(shí)鐘的波形數(shù)據(jù)。圖5.4顯示了接收模塊DR1引腳產(chǎn)生中斷并通知單片機(jī)取走數(shù)據(jù)電平的變化。</p><p>　　圖5.3 示波器采集發(fā)送數(shù)據(jù)過(guò)程</p><p>　　圖 5.4 DR1引腳信號(hào)變化</p><p>　　5.3 防電磁干擾措施</p><p>　　小車上直流

103、電機(jī)對(duì)無(wú)線接收模塊有很強(qiáng)的電磁干擾，甚至影響接收模塊正常的工作，通過(guò)對(duì)DR1引腳的測(cè)試，當(dāng)無(wú)線接收模塊靠近電機(jī)時(shí)，無(wú)線傳輸模塊不能控制電機(jī)的運(yùn)行且DR1引腳不產(chǎn)生變化，說(shuō)明無(wú)線接收模塊沒(méi)有正常工作。圖5.5所示為DR1引腳在干擾狀態(tài)下信號(hào)的變化。</p><p>　　圖5.5 DR1引腳在干擾狀態(tài)下信號(hào)</p><p>　　電動(dòng)機(jī)電刷產(chǎn)生的噪聲既有共模和差模兩種，解決方法有加電容、電感及接

104、地等。對(duì)于共模噪聲降低，可將電容器接在電動(dòng)機(jī)的每根引線和地之間，對(duì)于差模噪聲大都是由電刷與換向器觸點(diǎn)斷開(kāi)產(chǎn)生。在此，我們對(duì)電機(jī)并聯(lián)了一個(gè)22uF的電容，并對(duì)無(wú)線傳輸模塊并聯(lián)一個(gè)22uF的電容。實(shí)驗(yàn)之后可知，能夠很好的解決電磁干擾問(wèn)題。圖5.6所示為加防干擾措施以后DR1引腳信號(hào)。圖5.7為發(fā)送端實(shí)物圖。</p><p>　　圖5.6 加防干擾措施以后DR1引腳信號(hào)</p><p>　　圖5

105、.7 發(fā)送端實(shí)物圖</p><p>　　5.4 時(shí)間誤差計(jì)算</p><p>　　本設(shè)計(jì)是利用聲音實(shí)時(shí)控制聲源的移動(dòng)，在控制過(guò)程中單片機(jī)運(yùn)行程序的時(shí)間，SPI串口傳輸?shù)臅r(shí)間都對(duì)電路的同步控制產(chǎn)生誤差，因此，誤差的分析在本設(shè)計(jì)中是不可忽視的一環(huán)。通過(guò)對(duì)電路延時(shí)的計(jì)算，最后通過(guò)軟件的改善能盡可能的減小誤差。</p><p>　　5.4.1 SPI串口傳輸時(shí)間</p

106、><p>　　I/O口模擬SPI的串行傳輸時(shí)在CLK1時(shí)鐘控制下，每傳送一位數(shù)據(jù)則有一個(gè)CLK1的翻轉(zhuǎn)，同時(shí)CLK1的翻轉(zhuǎn)受晶振頻率的控制。本模塊的晶振為16MHz，即一個(gè)CLK1周期為0.075us。單片機(jī)向無(wú)線發(fā)送模塊發(fā)送一次幀數(shù)據(jù)中包括發(fā)送數(shù)據(jù)包頭和地址16位，共256位，即延時(shí)了約19.2 us。</p><p>　　無(wú)線接收模塊在接收到數(shù)據(jù)后對(duì)幀數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后將處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)I

107、/O口串行輸出給單片機(jī)。計(jì)算方法和發(fā)送時(shí)相同，經(jīng)計(jì)算延時(shí)了1.3us。</p><p>　　5.4.2 程序運(yùn)行指令延時(shí)</p><p>　　CPU完成一個(gè)基本操作所需要的時(shí)間稱為機(jī)器周期。單片機(jī)常把執(zhí)行一條指令的過(guò)程分為幾個(gè)機(jī)器周期。每個(gè)機(jī)器周期完成一個(gè)基本操作，如取指令、讀或?qū)憯?shù)據(jù)等等。單片機(jī)每12個(gè)震蕩周期為一個(gè)機(jī)器周期。時(shí)鐘信號(hào)的周期包括以下四種，其基本關(guān)系如圖5.8所示：<