無線數據傳輸系統管理論文

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摘要：介紹最新51兼容的射頻SoC(片上系統)nRF9E5的系統框架、各個組成部分、工作方式和配置方法；分析無線數據傳輸系統的結構和運用nRF9E5進行無線數據系統設計的通信協議；給出系統的硬件原理圖和程序流程圖；歸納nRF9E5在無線數據傳輸系統設計中的優勢。

關鍵詞：nRF9E5射頻SoC數據傳輸無線通信51系列

引言

nRF9E5是NordicVLSI公司于2004年2月5日推出的系統級RF芯片，其內置nRF905433/868/915MHz收發器、8051兼容微控制器和4輸入10位80kspsA/D轉換器，是真正的系統級芯片，如圖1所示。內置nRF905收發器與nRF905芯片的收發器一樣，可以工作于ShockBurst(自動處理前綴、地址和CRC)方式。內置電壓調整模塊，最大限度地抑制噪音，為系統提供1.9～3.6V的工作電壓，QFN5×5mm封裝，載波檢測。nRF9E5符合美國通信委員會和歐洲電信標準學會的相關標準。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很適用于無線數據傳輸系統的設計。

圖1

1nRF9E5功能介紹

1.1nRF9E5硬件

（1）微控制器

nRF9E5的片內微控制器與標準8051兼容，指令時序與標準8051稍有區別。典型的區別是：nRF9E5的片內微控制器的指令周期為4到20個指令周期。中斷控制器支持5個擴展中斷源：ADC中斷、SPI中斷、RADIO1中斷、RADIO2中斷和喚醒定時器中斷。片內控制器還有3個與8052相同的定時器。1個和8051相同的串口，可以用定時器1和定時器2來作為異步通信的波特率產生器。此外，還擴展了2個數據指針，以方便于從XRAM區讀取數據。微處理器中有256B的數據RAM和512B的ROM。上電復位或軟件復位后，處理器自動執行ROM引導區中的代碼。用戶程序通常是在引導區的引導下，從EEROM加載到1個4KB的RAM中，這個4KB的RAM也可作存儲數據用。NRF9E5的大部分寄存器和標準8051相同，只是增加了一些特殊功能寄存器，如RADIO（P2）、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY、RCAP2L、RCAP2H、CKLFCON等。nRF9E5中的P0、P1和P2口寄存器地址和標準8051中的相同，都是0x80、0x90、0xA0,但功能和標準8051中的有所不同。

（2）CKLF時鐘、RTC喚醒定時器、GPIO喚醒和WTD

nRF9E5內有一個低頻的時鐘CKLF，該時鐘常開。當晶振開始工作后，CKLF頻率為4Hz；晶振不工作時，CKLF是一個低功耗RC晶振器，只要VDD≥1.8V，其連續工作。RTC喚醒定時器、WTD（看門狗）和GPIO喚醒全都工作在CKLF頻率，以保證芯片功耗工作時能夠完成這三個功能。RTC喚醒定時器是一個24位可編程控制的遞減計數器，WTD則是一個16位可編程控制遞減計數器。RTC喚醒定時器和WTD的循環周期一般在300μs～80ms，默認為1ms。RTC喚醒定時器也能作GPIO的輸出源，也就是說，當RTC喚醒定時器初始化時間發生溢出時，能夠產生一個用作GPIO輸出的程序脈沖。

（3）SPI接口和A/D轉換器

SPI（串行外設接口）的接口引腳有MISO（接收EEPROM的SDO送來的數據）、SCK（給EEPROM的SCK提供時鐘信號）、MOSI（送數據到EEPROM的SDI）、EECSN（給EEPROM的CSN送使能信號）。SPI口的MISO、SCK和MOSI與P1口的低3位重用，通過寄存器SPI_CTRL控制來控制功能間的撤換。SPI硬件不產生任何片選信號，可以用GPIO口來進行片選。通常，系統上電時，SPI自動和片外25320相連。當程序加載完成后，MISO（P1.2）、MOSI（P1.0）可能會用作其它用途，比如其它的SPI器件或GPIO。

nRF9E5片內有10位ADC，A/D轉換參考電壓可以通過軟件設置在AREF和1.22V之間（內部參考電壓）。A/D轉換器的4個輸入可通過軟件進行選擇，通道0～3可以把對應引腳AIN0～AIN3上的電壓值分別轉換為數字值，通道4用于對nRF9E5工作電壓的監控。A/D轉換器默認工作于10位方式，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。

圖3

（4）射頻收發器

nRF9E5收發器通過內部并行口或內部SPI口與其它模塊進行通信，具有同單片射頻收發器nRF905相同的功能。收發器通過片內MCU的并行口或SPI口與微控制器通信，數據準備好，載波檢測和地址匹配信號能夠作為微控制器和中斷。

nRF905工作于433/868/915MHzISM頻段。收發器由1個完事的頻率合成器、1個功率放大器、1個調節呂和2個接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數可通過對特殊功能寄存器RADIO（0xA0）編程進行控制。發射模式下，射頻電流消耗為11mA,接收模式下為12.5mA。為了節能，可通過程序控制收發器的開/關。

1.2nRF9E5的收發方式

不同于nRF401和nRF903，nRF9E5使用SPI接口進行單片機與無線模塊間的數據傳輸。這部分在nRF9E5片內的8051內核與nRF905射頻收發器之間完成。nRF9E5片內的8051內核與nRF905射頻收發器之間完成。nRF905片內的8051內核與nRF905射頻收發器之間完成。nRF9E5的收發器有三種工作方式，ShockBurst接收（RX）方式、ShockBurst發送（TX）方式和空閑方式。當收發器在空閑方式下，微控器依然在運行。

nRF9E5使用NordicVLSI公司的ShockBurst的特性，進行高速的數據傳輸。與射頻數據相關的協議由nRF9E5片內的nRF9E5收發器自動處理。nRF9E5只用簡單的SPI接口便能和nRF9E5進行數據傳輸，數據傳輸的速度取決于SPI接口的速度，這個可以在nRF9E5片內8051內核中進行配置。ShockBurst實現低速數據輸入，高速數據輸出，從而降低了系統的平均能耗。在ShockBurst接收方式下，當收到一個有效地址的射頻數據包時，地址匹配寄存器位（AM）和數據準備好寄存器位（DR）通知片內MCU把數據讀出。在ShockBurst發送方式下，nRF9E5自動給要發送的數據加上前綴和CRC校驗。當數據發送完后，數據準備好寄存器位（DR）會通知MCU數據已經處理完畢。

當系統沒有發送和任務時，其進入空閑方式，nRF9E5在空閑方式下，一旦有任務要處理時，其能夠在很短的時間內就進入ShockBurst接收方式和ShockBurst發送方式。空閑方式下，晶體振蕩器依然工作，配置字中的內容不至于丟失。

1.3載波檢測

在ShockBurst接收方式下，當出現nRF9E5工作信道內的射頻載波時，載波檢測引腳（CD）被置高，這個特性很好的避免了同一工作頻率下不同發射器數據包之前的碰撞。當收發器準備發射數據時，它首先進入接收方式并探測所工作的信道是否空閑。載波檢測的標準一般比靈敏度低5dB，比如，靈敏度為-100dBm，載波檢測功能探測低至-105dBm的載波。也就是說，載波低于-105dBm，載波檢測信號為低（一般為0），高于-95dBm，則載波檢測信號為高（一般為VDD），介于-105～95dBm之間，載波檢測信號可能為低也可能為高。

2無線數據傳輸系統

2.1系統組成

無線數據傳輸系統有點對點，點對多點和多點對多點三種。本系統由于實際應用的需要，由于位PC機，主接收器和多臺數據終端組成。主接收器和數據終端之前的數據傳輸通過nRF9E5進行，構成點對多點多無線數據傳輸系統。整個系統中，PC機和數據終端之間的無線通信采用433MHz的頻段作為載波頻率。為了避免同頻干擾的問題，系統采用TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）通信技術。主接收器采用逐一掃描的方式探測各個數據終端有沒有收發通信請求或其它任務；數據終端則采用中斷方式，對主接收器發出的地址信息進行處理，若與本機地十相符則執行命令。由此可見，上位PC機與數據終端的通信轉化為主接收器與數據終端間的通信，以及PC機與主接收通過串口（USB或UART）間的通信。整個無線數據傳輸系統的結構如圖2所示。

2.2通信協議

通信協議是通信雙方為實現信息交換而制定的規則。本系統采用時分多路訪問通信技術（TDMA），將點對多點的通信方式轉化為點對點的通信，因此必然涉及信源與信宿之間建立通信連接時的地址匹配問題。由于主接收器與數據終端之間的通信可能會受到其它數據終端或外界環境的干擾而發生錯誤，因此，需要通信協議來保證數據傳輸的可靠性。

nRF9E5只有一種協議格式，其中的前綴也就是數據，設備地址包括本機的地址和主接收器的地址，CRC校驗可進行選8位或16位。

3無線數據傳輸系統的實現

3.1系統硬件

圖3為無線數傳系統中主要接收器的硬件原理圖。數據終端的硬件原理與圖3類似，只不過沒有與PC機相接的串口部分，并且GPIO口和A/D轉換口號相應的數據輸入端相連，如溫度傳感器和中斷信號等。ANT1和ANT2為天線連接引腳，可采用PCB環形差分天線，晶振工作頻率為16MHz。25AA320為EEPROM，在nRF9E5上電后，系統根據引導程序，把25AA320中和程序代碼拷貝到nRF9E5的4KBRAM中。LM1117為電源管理模塊，把5V電平轉化為nRF9E5可用的3.3V。MAX3232CSE為nRF9E5串口與PC串口間通信的電平轉換芯片。由圖3可知，用nRF9E5進行無線數據傳輸系統設計非常方便。nRF9E5的外形尺寸非常小，在對外形尺寸要求很嚴格的場合，nRF9E5更使用。

3.2系統軟件

無線數據傳輸主要由無線數據終端、主接收器和PC機組成，PC機與主接收器間用串行口通信。整個系統的各個部分都是服務于無線數據傳輸這個目的。所以，在整個系統的軟件設計中，無線數據的傳輸為最主要部分。如圖4和圖5所示，是無線數據傳輸的接收和發送流程。軟件設計應根據通信協議并考慮數據的糾錯，檢錯可采用CRC校驗8位或16位方式。在圖4、圖5中，TRX_CE發送和接收使能寄存器位，DR為數據準備寄存器位，AM為地址匹配寄存器位，AUTO_RETRAN為自動重發寄存器位。

4結論

利用射頻無線片上系統nRF9E5，容易實現小尺寸、高穩定性的無線數據傳輸系統，433/868/915MHz三個工作頻段可根據使用需要進行選擇。nRF9E5片內的UART方便于實現與PC機間的串行通信，其片內的A/D轉換器方便于進行數據采集。nRF9E5的ShockBurst技術和電源監管技術，使得無線數據傳輸系統的功耗更低，設計中為節約用電而編寫的程序代碼也更少。