信息無線傳輸控制器設(shè)計

邵 偉，武 斌

（天津城市建設(shè)學(xué)院 電子與信息工程系，天津 300384）

隨著城市的現(xiàn)代化建設(shè)，為了信息顯示方便，商店、娛樂場所、公共汽車等地方安裝了電子顯示屏。這些電子顯示屏分布在城市的不同角落，其顯示內(nèi)容需要及時更新。目前顯示屏信息一般需要上位機進行編輯，并通過485總線、以太網(wǎng)、GPRS網(wǎng)絡(luò)等進行傳輸，使得LED屏的安裝、維護不便、運營成本較高。相比而言，采用無線信息傳輸方式可使信息更新更加靈活、快捷。

1 信息無線收發(fā)系統(tǒng)方案

1.1 短距離無線通信技術(shù)應(yīng)用

短距離無線通信技術(shù)在無線抄表、無線遙控系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)鍵盤等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。Nordic公司推出的工作于2.4 GHz ISM頻段的nRF2401射頻芯片，采用GFSK調(diào)制模式，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，內(nèi)置地址比較和CRC校驗功能，采用Shock BurstTM技術(shù)，發(fā)射速率可達 1 Mb/s。與藍牙、WiFi等無線技術(shù)相比，具有低功耗、傳輸速率高、抗干能力強、易于開發(fā)等優(yōu)點。

1.2 控制器基本功能

發(fā)送端功能：

（1）通過鍵盤編輯和保存要發(fā)送的中文和英文信息；

（2）設(shè)定LED屏顯示方式、字庫類型信息；

（3）設(shè)定通信地址、將編輯好的信息采用ShockBurstTM方式發(fā)送給接收端。

接收端功能：

（1）接收發(fā)送端發(fā)送的信息，校驗并回復(fù)；

（2）將接收信息轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)485數(shù)據(jù)格式或以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包，與通用顯示卡通信；

（3）直接實現(xiàn)通用LED文字顯示屏顯示控制。

無線信息編輯器主要由單片機、nRF2401無線收發(fā)模塊、128×64液晶顯示屏、鍵盤、LED屏及其控制器組成，圖1為系統(tǒng)框圖。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.3 LED顯示屏及其控制器

選用通用LED顯示屏，控制器采用國內(nèi)通行的某型號 LED屏驅(qū)動控制卡，該控制卡具有簡單獨立的串口通信協(xié)議，由單片機控制可選擇多種顯示方式，可同時存儲多套節(jié)目；具有漢字字庫，可接收漢字內(nèi)碼數(shù)據(jù)。圖2為控制卡串口協(xié)議中實時顯示文字協(xié)議，第二個表格為基本數(shù)據(jù)包格式。

圖2 控制卡串口實時顯示文字協(xié)議

1.4 單片機和LCM

STC89C516RD+是宏晶科技推出的低功耗、強抗干擾單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機，正常工作時功耗為4mA，掉電模式為2μA；工作電壓為3.6～2.0 V。具有64 KB Flash程序存儲器和 1 280 B RAM，35個 I/O引腳，共3個 16 bit定時器，內(nèi)置看門狗和 MAX810專用復(fù)位電路，4路外部中斷和1個通用異步串行口，LQFP封裝。

LCM選用128×64點陣的液晶顯示模塊，自帶GB2312漢字字庫和字母、數(shù)字字庫，低功耗，工作電壓范圍在3.6～2.4 V之間。

2 設(shè)計實現(xiàn)

2.1 信息收發(fā)協(xié)議

物理層芯片nRF2401的ShockBurst收發(fā)模式具有獨立的通信協(xié)議，為不同的接收端配置唯一的接收地址以提高通信抗干擾能力，其通信協(xié)議格式為：字頭、地址、信息數(shù)據(jù)包、CRC。ShockBurst發(fā)送和接收模式如圖3和4 所 示[1]。

2.2 信息編輯

2.2.1 鍵盤設(shè)計

信息編輯由鍵盤、單片機和LCM模塊實現(xiàn)，按鍵描述如表1。單片機根據(jù)按鍵輸入的數(shù)字字符串查表得到對應(yīng)拼音和漢字碼。選用常用的6 763個漢字的GB2312碼作為漢字信息載體，用ASCII碼作為數(shù)字和英文字母的單片機處理、保存和傳輸值。由于英文單詞數(shù)量很大，數(shù)字和字母鍵的復(fù)用在輸入字母字符串時顯得很不方便，且沒有實用的漢字查表輸入法，因此這里將字母鍵盤在LCM顯示屏上顯示，根據(jù)方向鍵和確認(rèn)鍵選擇需要的字母，返回并保存字母、數(shù)字的ASCII值。

圖3 發(fā)送流程

圖4 接收流程

表1 鍵盤按鍵描述

2.2.2 輸入法的設(shè)計

由于數(shù)字鍵和字母鍵復(fù)用，鍵盤輸入的是0～9的數(shù)字串，采用二級數(shù)字索引確定對應(yīng)拼音和漢字碼。如輸入數(shù)字 “7315”對應(yīng)拼音 “shao”，先在首字母索引表Unsigned char（*PY_index_pointer[27]）[8]中確定數(shù)字 7 對應(yīng)的第一個拼音數(shù)組PY_index_s的首地址，然后在數(shù)組PY_index_s、PY_index_t、PY_index_u 中找到“7315”對應(yīng)所有可能的拼音，如“shao”、“tian”，保存并返回這兩個拼音首字母對應(yīng)的地址；根據(jù)此地址可得到在GB2312漢字碼中對應(yīng)的第一個拼音為“shao”的漢字碼 C9D2（即漢字“梢”的GB2312碼）；在LCM屏上顯示從C9D2開始以“shao”發(fā)音的漢字，如果希望顯示漢字“少”，則輸入偏移量 7，根據(jù) C9D2+7可得到“少”的漢字碼 C9D9；單片機存儲、處理，通信中就用 C9D9表示“少”[2]。

3 無線通信抗干擾機制

3.1 跳頻通信

采用跳頻擴頻技術(shù)增強信號傳輸?shù)目垢蓴_性能，改變nRF2401的工作頻道 （工作頻率計算公式為：Channel＝2 400 MHz+RF_CH*1.0 MHz，Channel為工作頻率，頻率間隔為1 MHz[1]）可以實現(xiàn)頻率的跳變。為了快速找到?jīng)]有干擾的頻道，選用2.4 GHz頻段的低、中、高三個頻道的頻率跳變，頻道變換序列如表2。

表2 頻道跳轉(zhuǎn)表

開始發(fā)送時，發(fā)送端按照預(yù)先指定的頻率給接收端發(fā)送一次連接信號，然后進入等待接收狀態(tài)，如果在之后10 ms內(nèi)沒有接收到返回值，重發(fā)2次連接信號，如果返回值正確，則在此頻道上保持通信；如果無返回值或返回值不正確，則跳轉(zhuǎn)到下一個通信頻道發(fā)送連接信號。接收方根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的頻率變換順序檢測各信道上是否有發(fā)送給自己的信息，如有，接收后返回一組信號，發(fā)送端在判斷返回值正確后，則可以在此信道上進行通信。在進入正常通信后，發(fā)送端可根據(jù)每次發(fā)送的信息的返回值判斷是否需要變換頻道重新發(fā)送數(shù)據(jù)[3]。

發(fā)送端以每10 ms一次按照頻率變換順序向發(fā)送端發(fā)送連接信號；接收端以每30 ms按照頻道變換順序變換頻道，以檢測是否有信號接收。這樣在接收端的30ms周期內(nèi)，發(fā)送端已遍歷所有頻道，可保證在某一頻道可連接成功。

3.2 地址配置

在實現(xiàn)頻率跳變的基礎(chǔ)上給nRF2401每個接收端配置不同的地址（ADDR1），需要考慮單片機內(nèi)部 ROM的大小和地址寬度ADDR_W配置值的大小。接收端只有接收到正確的地址后才繼續(xù)接收信息數(shù)據(jù)包（Packet）。

3.3 CRC校驗和特殊字識別

為了進一步提高無線通信的抗干擾能力，除了nRF2401無線通信協(xié)議自帶的CRC檢驗之外，在nRF2401無線通信協(xié)議中的信息數(shù)據(jù)包（Packet）中添加特殊字（4 B），如圖5所示。

圖5 特殊字和CRC校驗

發(fā)送端單片機在編輯好文字信息后，先添加LED控制器串口通信協(xié)議（圖2），然后將其分割為 24 B一個數(shù)據(jù)包添加到nRF2401通信協(xié)議中進行。

4 軟件流程

發(fā)送端軟件流程如圖6所示，接收端軟件流程如圖7所示。

通過硬件、軟件設(shè)計和調(diào)試，該信息編輯器能夠?qū)崿F(xiàn)信息編輯和與LED顯示屏的無線通信功能。可利用此編輯器更新LED屏顯示內(nèi)容，簡化了LED顯示屏的維護過程，有助于提高維護人員工作效率。此信息編輯器適合在公共汽車、商店等安裝LED顯示屏的場所使用。

圖6 發(fā)送端軟件流程圖

圖7 接收端軟件流程圖

[1]Single chip 2.4G tansceivernRF2401.Nordic VLSIASA.2003.

[2]劉進軍，高美珍.基于單片機的漢字輸入法的實現(xiàn)[J].國外電子元器件，2006（12）.

[3]杜思深.無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[4]陳海宴.51單片機原理及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.