基于nRF905的無線通信的設計與實現

王紅萍

（中國人民解放軍91550部隊89分隊 大連 116023）

0 引言

現行市場上的LED屏，采用異步串口、TCP/IP接口等有線和GPRS無線進行通信。對于裝修計劃中的LED屏，即使提前布線或預留線纜空間，在線纜損壞或調試LED屏還是有諸多不利條件。技術成熟的GPRS無線模塊，價格昂貴，不適用于大眾場合。針對普遍使用的串口通信控制的LED屏，本文介紹了采用nRF905芯片為核心的硬件電路，論述了無線通信系統中的功耗估計、速率適配、串口與無線的通信協議設計和嵌入式單片機的軟件設計，實現單片機控制串口的無線通信。

1 硬件設計

1.1 硬件總體框圖

硬件框圖如圖1和圖2所示。圖1為上位機框圖，電路板上的單片機收到計算機發來的控制數據通過無線模塊轉發。圖2為下位機框圖，單片機將無線模塊收到的數據通過串口發給LED屏的電路控制板。LED屏回復數據的傳輸方向正好相反。

圖1 上位機框圖

圖2 下位機框圖

采用ProtelDXP繪制電路原理圖和雙面PCB板，使用JTAG mk II在AVR Studio4下編寫基于單片機的嵌入式軟件，采用GCC編譯器進行編譯連接。

1.2 電路設計

A）單片機Atmega16A

采用芯片LM1117將DC 9V穩壓到3.3V，對單片機Atmega16A、芯片nRF905、芯片Max3232供電。串口通信采用芯片Max3232進行邏輯電平的轉換。

系統采用高性能、低功耗的8位AVR微處理器Atmega16A單片機。該單片機具有16K字節的系統內可編程Flash、512字節的EEPROM和1K字節的SRAM，供嵌入式軟件使用；在線調試的JTAG端口，豐富了系統的調試手段；獨立的定時器和可編程的串口，加強了系統的功能。單片機Atmega16A上的SPI接口，保證了無線芯片nRF905的無縫連接。

B）無線芯片nRF905

NORDIC公司的無線芯片nRF905采用高效的GFSK調制，使用開放的ISM頻段，工作速率可達50K bps，收發模式切換時間短，功耗低，內置硬件CRC校驗和點對多點的通信地址控制，這些優點特別適合工業控制場合。

2 軟件設計

2.1 通信協議

A）串口通信協議

設計串口通信協議：1位起始位，8位數據位，“空格”校驗位，1位停止位；

B）數據通信協議

設計串口發送數據的通信協議：串口發送數據的第一個字節和第二個字節是0xF6、0x5A，作為包頭，第三個字節和第四個字節為數據長度的一半，數據最后的兩個字節為校驗字節，數據的倒數第三字節和第四字節為無線發送數據次數。LED屏控制卡回復數據為四個字節，第一個字節和第二個字節為為發送數據的前兩個字節，后兩個字節為發送數據次數。

C）無線收發數據協議

無線通信的數據采取分包發送的機制。無線通信協議設計：第一個字節為包頭0xF6，第二個字節為數據的長度，此字節的首位置1，此包數據為最后一包，此字節的首位置0，此包數據非最后一包。由于無線芯片一包最大發送或接收字節數32字節，所以最大數據包長度為30個字節。大于30個字節的數據，分包發送。

2.2 基于狀態機的嵌入式軟件設計

2.2.1 系統初始化

系統初始化主要包括：端口、串口、SPI總線、無線芯片、定時器和鏈表。狀態機的初始化包括：初始狀態、各個狀態的初始條件等。根據數據發送和接收的流程，設計狀態機的5種狀態：待機狀態 ST_STAND_BY、串口接收狀態（PC端） ST_UART_RECV、無線接收狀態（LED屏端）ST_WAVE_RECV、串口等待狀態（LED屏端）ST_UART_WAIT，以及無線等待狀態（PC端）ST_WAVE_WAIT。

2.2.2 狀態機的狀態觸發與轉換

上位機在中斷中接收PC發送的控制數據，存儲在循環鏈表中，通過無線芯片分包發送；上位機查詢無線芯片接收回復數據，通過串口發給PC上的控制軟件；上位機狀態觸發與轉換關系關系如圖3所示。

圖3 上位機狀態觸發與轉換關系關系

下位機查詢接收無線模塊發送的數據，通過串口轉發給LED屏控制卡；LED屏控制卡的回復數據，下位機在中斷中接收，通過無線發送；下位機狀態觸發與轉換關系如圖4所示。圖3和圖4共同完成一次數據應答。

圖4 下位機狀態觸發與轉換關系

2.2.3 定時器的數據收發檢測

A）串口接收數據完的檢測

串口的數據接收是在中斷中完成的，因此在中斷中對定時器置數，中斷外面減數。波特率為9600 bps時，中斷間隔小于1 ms。設置定時器的時長1.5 ms，如果超過此時長，則意味著串口數據接收完成。

B)無線發送接收數據的檢測

嵌入式程序中多處用到無線收發數據的定時器檢測，根據應用場合，選擇定時器的時長。

3 測試方案與數據

3.1 測試方案

板卡測試分為無線發送數據部分測試、無線接收部分測試及無線測試。無線發送數據測試部分：采用工具軟件串口監視助手監視上位機軟件通過串口發送給無線部分的數據，在嵌入式程序調試中，利用芯片Max3232的多通道，無線發送的數據，通過串口送回上位機，串口監視助手監視無線發送的數據。無線接收部分測試：無線部分收到數據后，利用芯片Max3232的多通道，將收到的數據送回上位機，同樣利用串口監視助手監視無線接收的數據。

無線測試利用雙串口的計算機，一個串口連接發送數據的板卡，另外一個串口連接接收數據板卡，利用串口調試助手分別監視兩路串口，完成無線部分的數據發送與接收調試。

3.2 測試數據

LED屏的無線發送與接收測試數據如表1所示。

表1 無線發送與接收測試數據表

上位機與LED屏的通信，每次先握手再交換數據，初次連接只進行握手。表1中，總字節長度表中采用十進制數，數據包的長度采用十六進制數。表1中的數據內容與數據格式：包頭、數據產度、數據及奇偶校驗等，滿足數據通信協議要求。

4 結束語

本文對采用芯片nRF905進行LED屏的無線通信進行了論證，從通信速率和功耗兩個方面分析了技術可行性，設計了串口通信協議、數據包協議和無線通信協議、論述了基于狀態機的嵌入式軟件設計，實現了系統預想功能。

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