基于单片机及nRF2401的无线通信模块.docx

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基于单片机及nRF2401的无线通信模块

摘要

本文设计了一种以AT89S52单片机为控制核心的无线通信控制模块，详细说明了该系统的基本原理、主要电路、硬件框架以及软件框架。

整个系统采用模块化设计，主要包括单片机与下位机之间的无线通信控制电路，以及无线通信模块与PC上位机之间基于串行接口RS-232标准的串行通信接口电路和USB高速通信接口电路。

该通信控制系统通过PC上位机的RS-232串行通信和USB高速通信，从而通过无线通信控制模块形成与下位机的联系，控制下位机运动控制器，并且将通信接收的数据保存到扩展的存储器内。

本模块的通信方法简便，除了可以进行远程实时控制外，还可广泛的应用于工业监控和数据采集系统。

本系统具有性能可靠、抗干扰能力强、功耗低、性价比高等优点，在无线通信领域具有重要的应用价值和良好的发展前景。

关键字：

无线通信控制；AT89S52；nRF2401；串行通信

Abstract

ThispaperintroducesadesignAT89S52singlechipcontrolwiththecoreofwirelesscommunicationcontrolmoduledesignsystem,detailedinstructionsonthesystemofbasicprinciple,hardwareframe,maincircuitandsoftwareframe.Thewholesystemusesmodulardesign,includingbetweenmicrocontrollerandlowerlevelcomputerwirelesscommunicationcontrolcircuit,andwirelesscommunicationmodulewithPCbasedonserialinterfacebetweentheRS-232standardserialcommunicationinterfacecircuitandUSBhigh-speedcommunicationinterfacecircuit.ThiscommunicationcontrolsystemthroughthePC'sRS-232serialcommunicationandUSBhigh-speedcommunications,thusthroughwirelesscommunicationcontrolmoduleformationandlowerlevelcomputerconnection,control,andamachinemotioncontrollerwillreceivedatastoragetocommunicationwithinthememoryexpansion.

Thismodulecommunicationmethodissimple,remotingreal-timecontroloutside,stillcanbewidelyusedinindustrialsupervisorycontrolanddataacquisitionsystem.Thissystemhasreliableperformance,stronganti-jammingcapability,lowpowerconsumption,highperformance-to-priceadvantagesinwirelesscommunicationdomain,hasimportantapplicationvalueandgooddevelopmentprospect.

Keywords:

wirelesscommunicationcontrol;AT89S52;nRF2401;serialcomm-unication

1概述

1.1单片机控制的无线数据传输的意义

在社会高速发展的今天，随着电子技术日新月异的发展，数据通信被广泛的应用到各个领域中。

通信可以分为有线通信和无线通信，采用传统的有线监控系统除了通信设备之间的物理线路连接，还需要供电电路的支持。

而采用无线技术后，系统精简了通信和供电线路的铺设，方便了系统的维护和扩展，对生产管理水平具有重要的意义。

采用无线通信技术可以有效的解决采用有线通信所存在的问题，而且具有成本更低、不需要布线、可以任意增加或减少测量节点、维护方便等优点。

当数据采集点处于非固定位置或运动状态时，数据采集系统必须与主机分离，同时还需利用电池供电。

因此，由无线收发电路或模块所组成的数据采集及传输系统是有效的解决方式。

现在很多的无线通信控制系统不受体积、功耗、成本的限制，并且短距离的无线数据传输技术已经较为成熟，功能简单，携带方便，在应用时将系统作为一个模块可方便地移植，以便构建更为复杂的无线通信网络，可很好的应用于各种无线产品中以及应用于小型无线网络、无线抄表、小区传呼、工业数据采集系统、安全防火系统等领域[1]。

近十几年来，随着移动通信技术飞速发展，越来越多的信息采集和远程控制系统采用了无线数据传送技术，它与有线数传相比主要有布线成本低、安装简便、便于移动的优点，而且随着互联网技术的迅猛发展和快速普及，越来越多的基于单片机为微控制器的的测控设备或智能仪器仪表都需要通过互联网上进行数据交换或传输数据。

1.2无线通信系统的现状及发展

了解和比较国内外的无线通信控制系统设计技术的现状，分析其优缺点，对于我们的研究无疑是非常必要的。

从七十年代，国内外人们就开始了无线通信系统的研究。

在整个八十年代，伴随着以太局域网的迅猛发展，以具有不用架线、灵活性强等优点的无线通信网络以己之长补“有线”所短，也赢得了特定市场的认可，但也正是因为当时的无线网是作为有线以太网的一种补充，遵循了IEEE802.3标准，使直接架构于802.3上的无线网产品存在着易受其他微波噪声干扰，性能不稳定，传输速率低且不易升级等弱点，不同厂商的产品相互也不兼容，这一切都限制了无线通信网络的进一步应用。

随着电子技术的发展，基于射频技术的无线收发芯片的集成度、性能都大幅度提高，芯片的种类和数量比较多，性能也各有特色。

目前，世界各大芯片制造商研制开发出了各种新型射频芯片，使短距离无线通信装置的设计开发趋于容易、便捷、周期短、成本低。

此类芯片收发合一，工作频率一般为国际通用的ISM频段，无需申请许可证，采用低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用时对周围干扰很小，调制方式大多为ASK，FSK，传输速率为几K到几百Kbit/s，传输距离受环境影响，一般在几十米到数百米[2]。

无线通信是当前发展最快的技术之一，已渗透到社会的各个角落，有着广阔的市场和业务需要。

短距离无线传输具有抗干扰性能强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制少、安装灵活等优点，在许多领域有着广泛的应用前景。

低功耗、微型化是用户对当前无线通信产品尤其是便携产品的实际需求，短距离无线通信逐渐引起关注。

1.3本设计的内容及设计指标

本设计需要完成的模块功能及设计指标：

1.通过RS-232串行接口或USB接口实现PC机与单片机AT89S52的串行通信。

2.通过nRF2401芯片与单片机AT89S52的IO口连接实现两者的数据传输。

3.通过对nRF2401进行配置实现两个单片机之间的无线数据传输。

4.将下位机接收到的数据存储到扩展的外部数据存储器中。

本设计的特点：

系统由单片机AT89S52控制无线数字传输芯片nRF2401,通过无线方式进行数据双向远程传输,两端采用半双工方式通信，该系统具有成本低，功耗低，软件设计简单以及通信可靠等优点。

1.4设计的基础知识

做好本次设计需要多个方面的只是有全面的了解和掌握。

不仅需要硬件电路方面的设计，对于软件编程部分也要有良好的基础。

还需要对单片机的应用有深刻的理解和牢固的掌握，例如PC与单片机的串行通信，单片机的外部数据存储器的扩展等。

本设计是基于nRF2401射频芯片的无线通信系统，还需要对该芯片有深入的了解。

掌握其各个引脚的作用及各种工作方式和原理。

同时还要能够运用Protel系列软件进行电路图及PCB板的绘制和布线以及使用Proteus等仿真软件进行系统仿真。

软件部分的编程也需要能够熟练使用KEILC51软件。

2系统设计方案

2.1设计方案选择和论证

无线通信技术迅速发展，有多种通讯方案可供选择，这里从实用，经济和实现等方面进行综合的考虑分析，选出合适的设计方案。

2.1.1无线通信方式的比较和选择

目前常用的短距离无线通信主要有：

蓝牙（Bluetooth），红外数据传输（IrDA）,无线局域网（Wi-Fi）以及一些无线收发芯片等。

蓝牙：

Bluetooth是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，其实质是为固定设备或移动设备之间的通信环境建立通用的近距无线接口，但由于芯片大小和价格难以下调，使得许多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。

IrDA：

IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术，是第一个实现无线个人局域网（PAN）的技术，但它对于点对多点的通信显得无能为力，且红外技术只能在视线可以达到的范围内定向传输，中间不能有任何阻挡，同时要求通信设备的位置相对固定，这样就无法应用于移动设备。

Wi-Fi：

Wi-Fi是以太网的一种无线扩展，主要目的是提供WLAN接人，但由于其硬件实现需要很大的容纳空间，且往往在商用计算机系统中实现，这就限制了其在工业领域，尤其是在某些不依赖通用计算机的特殊工业场合的应用。

本设计采用射频芯片nRF2401作为无线收发芯片，内置多种功能模块，功耗非常低，节能设计更方便，可以克服以上通信方式的缺点，适用于多种无线通信场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等[3]。

2.1.2微控制器的比较和选择

八位单片机由于内部构造简单，体积小，成本低廉，在一些较简单的控制器中应用很广。

即便到了本世纪，在单片机应用中，仍占有相当的份额。

应用最广泛的八位单片机首推Intel的51系列，由于产品硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史“悠久”，有先入为主的优势。

世界有许多著名的芯片公司都购买了51芯片的核心专利技术，并在其基础上进行性能上的扩充，使得芯片得到进一步的完善，形成了一个庞大的体系，直到现在仍在不断翻新，把单片机世界炒得沸沸扬扬。

有人推测，51芯片可能最终形成事实上的标准MCU芯片[4]。

这里只对51系列单片机进行比较。

AT89CXX系列单片机：

该系列单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。

器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8为中央处理器（CPU）和Flash存储单元，可灵活应用于各种控制领域[5]。

但是该系列单片机最高工作频率为24MHz，处理速度缓慢。

且不支持ISP在线编程功能，使开发周期变长。

C8051F系列单片机：

美国Silabs公司推出的C8051F系列单片机是一种高集成度的SOC型芯片，除兼容MCS-51的微控制器内核、指令系统、数字外设部件外，还具有数据采集和控制系统的模拟部件以及其他数字外设部件，是单片机既能处理数字信号又能处理模拟信号[6]。

但是该系列单片机比较昂贵，考虑到性价比，该系列的单片机并不适用于该无线通信系统。

AT89SXX系列单片机：

该系列单片机基于AT89C系列改进而来。

在保持原有的功能基础上又增加了一些新的功能，性能有很大的提升。

主要有增加了ISP在线编程功能，是程序的烧写变得简单易行。

最高工作频率由原来的24MHz提升到33MHz，使单片机的运算速度有了很大的提升。

同时芯片内部集成了看门狗计时器，不再像AT89C那样外接看门狗计时器电路。

全新的加密算法，使程序的保密性大大加强[7]。

该系列的单片机在价格上基本不变甚至比AT89C的价格更低，功能上也可以完全满足该通信系统的要求。

综合考虑性价比和功能的实现要求，本设计采用该系列的AT89S52单片机。

2.1.3无线收发芯片的比较和选择

方案一：

cc1100微功率无线数传模块。

基本特点有315、433、868、915MHz的ISM和SRD频段，最高工作速率500Kbps，支持2-FSK、GFSK和MSK调制方式，可软件修改波特率参数，更好地满足客户在不同条件下的使用要求高波特率，更快的数据传输速率低波特率，更强的抗干扰性和穿透能力，更远的传输距离，较低的电流消耗（RX5.6mA，2.4kbps，433MHz），可编程控制的输出功率，对所有的支持频率可达+10dBm，无线唤醒功能，支持低功率电磁波激活功能，无线唤醒低功耗睡眠状态的设备，支持传输前自动清理信道访问（CCA），即载波侦听系统，快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统，模块可软件设地址，软件编程非常方便，标准DIP间距接口，便于嵌入式应用，单独的64字节RX和TX数据FIFO[8]。

但是该模块在过高的数据速率会降低接收灵敏度及增大误码率甚至根本无法工作，并且和单片机工作时需要合理的信息码格式，否则会直接影响到数据的可靠收发。

方案二：

NRF905无线收发模块。

基本特点有433Mhz开放ISM频段免许可证使用，接收发送功能合一，收发完成中断标志，170个频道，可满足多点通讯和跳频通讯需求，实现组网通讯，内置硬件8/16位CRC校验，开发更简单，数据传输可靠稳定，工作电压1.9-3.6V，低功耗，待机模式仅2.5uA，接收灵敏度达-100dBm，收发模式切换时间<650us，每次最多可发送接收32字节，并可软件设置发送/接收缓冲区大小2/4/8/16/32字节，模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示），可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便，最大发射功率10毫瓦，发射模式：

最大电流<30mA，接收模式为电流12.2mA，内置SPI接口，也可通过I/O口模拟SPI实现。

最高SPI时钟可达10M，标准DIP间距接口，便于嵌入式应用，芯片可以软件设置空闲模式和关机模式，易于节能设计，适合工业数据采集、无线报警及安全系统等诸多领域。

但是该模块比较简约，没有RSSI功能，和2.4GHZ频段的无线芯片相比，速度相对比较慢，并且芯片的价格相对来说较贵。

方案三：

nRF2401无线通信控制模块。

基本特点有2.4Ghz全球开放ISM频段免许可证使用，最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，适合工业控制场合，125频道，满足多点网络通信需要，内置硬件8/16位CRC校验和点对多点通信地址控制，结合TDMA-CDMA-FDMA原理，可实现无线网络通讯，低功耗1.9-3.6V工作，待机模式下状态仅为1uA，模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示），可直接接各种单片机使用，软件编程较为方便，收发完成中断标志，每次最多可发28字节，内置专门稳压电路，使用各种电源包括DC/DC开关电源均有很好的通信效果，标准DIP间距接口（5*2），便于嵌入式应用，CLK、DATA、DR三线接口，软件编写较为简单，双通道数据接收，标配外置柱状天线，开阔地无干扰条件通信距离可达100米[9]。

该无线通信模块通过ShockBurstTM收发模式进行无线数据发送，收发可靠，其外形尺寸小，需要的外围元器件也少，成本较低，并且使用和携带较为方便。

该设计选用该芯片。

2.1.4串行通信方式比较和选择

RS-485串行通信：

该接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好。

具有多机通信能力，这样用户可以利用单一的RS-485 接口方便地建立起设备网络。

接口组成的半双工网络，一般只需二根信号线，所以它的接口均采用屏蔽双绞线传输，数据信号采用差分传输方式。

但是由于电脑上没有485接口，所以设计的时候还需要一个485转232转换器，较为麻烦。

RS-232串行通信：

它是无处不在的，每一台PC机都有一个或者更多的接口。

在微控制器中，接口芯片使得将一个5V串口转换成RS-232变的更容易。

连接距离可以达到50到100ft，大多数的外设接口都不会用于太长的距离。

对于一个双向选择，只需要3条导线。

一个并行连接器一般需要8条数据线，两条或者更多的控制信号线和几根接地线。

它作为一种标准，与很多设备兼容，目前已经在很多的微机通信接口中广泛的被采用[10]。

这里采用该通信方式。

USB接口通信：

1.USB接口支持即插即用和热插拔，而RS-232（DB-9）串口不支持即插即用和热插拔，设备安装后需重启计算机方可使用。

2.USB接口的传输速率较快，可达480Mbps（V2.0），而RS-232（DB-9）串口的最高速率仅为19200波特。

3.USB接口占用体积较小，插拔方便；而RS-232（DB-9）串口的的插拔需要使用改锥，且在机箱后操作，比较麻烦。

该设计中也可也采用这种通信方式。

2.2系统组成和功能概述

系统主要包括两个分别具有收发功能的无线通信模块，每个模块均由单片机和无线收发芯片nRF2401组成。

系统的原理框图如图所示，发送时，单片机通过IO总线向nRF2401写人控制命令及所需发送的数据，nRF2401通过天线发送出去；接收时，单片机通过IO总线读取nRF2401的工作状态，获取芯片相关信息及接收到的数据。

两个收发模块之间相互通信，从而实现数据的无线传输。

同时接收端将接收到的数据存储到扩展的片外数据存储器中。

图2-1数据发送端框图

图2-2数据接收端框图

3系统硬件设计

该无线数据传输系统采用AT89S52单片机作为整个系统的控制核心，通过射频芯片nRF2401实现数据的无线传输。

通过RS232标准串行接口实现PC与单片机的串行通信。

也可以通过USB实现PC与单片机的通信。

当进行大的数据传输时，AT89S52的数据存储器的存储容量将不能满足。

此时则需要对外部数据存储器进行扩展。

这里使用容量为512K×8的静态RAM芯片进行存储空间的扩展。

同时对单片机能够正常运行的最小系统进行设计。

3.1RS-232串行通信接口电路设计

由于不同设备串行接口的信号线定义、电气规则等特性都不尽相同，因此要使这些设备能够互相连接，需要统一的串行通信接口。

采用标准接口还能提高通信速度和传输距离。

RS-232定义了数据终端设备（DTE）与数据通信设备（DCE）之间的物理接口标准，接口标准包括引脚定义，电气特征和电平转换几方面内容。

在微型计算机通信中RS-232接口常使用的有9根信号引脚。

由于RS-232是早期为促进公用电话网络进行数据通信而制定的标准,其逻辑电平对地是对称的，要用负逻辑，逻辑0电平规定为+5V~+15V，逻辑1电平为-5V~-15V，因此51系列的单片机与微型计算机的RS-232接口不能直接对接，必须进行电平转换。

常见的电平转换器有MC1488，MC1489和MAX202/232/232A等芯片。

该设计选用MAX232芯片作为电平转换器，它能满足RS-232的电气规范，内置电子泵电压转换器将+5V转换为-10~+10V，该芯片与TTL/COMS电平兼容，片内有两个发射器，两个接收器，在单片机应用系统中得到广泛应用[6]。

MAX232的内部逻辑功能和电平转换硬件接口电路如图

图3-1MAX232引脚及内部结构

图3-2RS232-TTL电平转换电路

上图中MAX232的R2IN和T2OUT引脚分别与RS-232接口的第2和第3引脚相连，R2IN和R2OUT引脚分别与AT89S52的TXD和RXD引脚相连。

3.2USB通信接口电路设计

目前，51单片机同PC机的通信在大多数情况下仍然是使用RS-232（DB-9）串口作为通信接口实现的。

而随着USB接口技术的成熟和使用的普及，由于USB接口大有着一系列RS-232（DB-9）串口无法比拟的优点，RS-232（DB-9）串口正在逐步的为USB接口所替代。

而在现在的大多数笔记本电脑中，出于节省物理空间和用处不大等原因，RS-232（DB-9）串口已不再设置，这就约束了基于RS-232（DB-9）串口与PC机联络的单片机设备的使用范围。

3.2.1设计思路

使用USB-RS232转接芯片实现PC机同单片机物理层的连接，通过编写单片机指令实现数据帧格式的匹配。

3.2.2USB转接芯片的选择

目前常用的USB转接芯片包括PL2303，CH341，CP2101，FT232等。

在综合考虑了各方面因素后，CH341成为了本次电路设计的首选芯片。

CH341是南京沁恒电子公司生产的USB总线的转接芯片，通过USB总线提供异步串口，打印口，并口及常用的2线和4线等同步串行端口。

其特点有：

1.提供全速USB设备借口，兼容USB2.0，外围设备只需要晶体和电容；

2.可通过外部的低成本串行EPROM定义厂商ID，产品ID，序列号等；

3.成本低廉，可直接转换原串口外围设备；

4.采用SOP-28封装，串口应用还提供小型的SSOP－20封装。

正是由于在PC机同单片机通信电路中，USB转接芯片CH341具有以上其他芯片无法比拟的优点，同时价格低廉并且提供中文技术支持，因此它成为了本电路USB转接芯片的最优选择。

本电路采用的是SSOP-20封装的CH341T，其引脚图如图所示。

其中，芯片的驱动程序由南京沁恒电子公司提供。

图3-3CH341T引脚

CH341T是一个USB总线的转接芯片。

在异步串口方式下，CH341T提供串口发送使能、串口接收就绪等交互式的速率控制信号以及常用的MODEM联络信号，用于为计算机扩展异步串口，或者将普通的串口设备直接升级到USB总线。

在打印口方式下，CH341T提供了兼容USB相关规范和Windows操作系统的标准USB打印口，用于将普通的并口打印机直接升级到USB总线。

在并口方式下，CH341提供了EPP方式或MEM方式的8位并行接口，用于在不需要单片机/DSP/MCU的环境下，直接输入输出数据。

除此之外，CH341T芯片还支持一些常用的同步串行接口，例如2线接口（SCL线、SDA线）和4线接口（CS线、SCK/CLK线、MISO/SDI/DIN线、MOSI/SDO/DOUT线）等。

连接框图如图

图3-4CH341T连接框图

3.2.3硬件电路设计

USB通信模块电路连接如图，图中CH341的TXD和RXD引脚分别与单片机的RXD和TXD引脚连接。

VCC和GND引脚分别与单片机的VCC和GND引脚连接。

在5V电源的情况下，V3口需要外接0.01uF的退耦电容。

TEN#为串口发送数据使能端，低电平有效。

CH341T必须使用12Mhz的晶振，否则无法正常工作。

为保证单片机能够产生与计算机匹配的波特率，单片机采用11.0592Mhz的晶振。

图3-5USB通信模块

3.2.4硬件驱动程序安装

通过登录南京沁恒电子公司网站download/index.htm可下载CH341T驱动程序CH341SER.EXE，在确认驱动程序和硬件电路无误后，打开驱动程序。

弹出安装对话框后选择INSTALL，设备将自动安装驱动程序。

安装完成后计算机将提示安装成功[11]。

3.3nRF2401射频模块电路设计

nRF2401无线收发一体芯片和蓝牙一样,都工作在2.4GHz自由频段,能够在全球无线市场畅通无阻。

nRF2401支持多点间通信,最高传输速率超过1Mbit/s,而且比蓝牙具有