基于nRF401 的无线通讯系统及应用

1. 引言
    在仪器仪表及测控技术中，无线数据通信以其节省传输线、使用方便等优点被广泛关注。中短距离（小于500 米）的无线通信在自动测试系统、无线抄表、计算机遥测遥控系统、车辆监控系统和小区管理等实际应用中有广泛的市场。在众多的无线收发芯片中，nRF401以其成本低、可靠性高、外围设计简单广受欢迎，然而由于通信空间的复杂性，无线通讯系统很容易收到误码，即使在发送端不发送数据的情况下，接收端也仍然会接收到大量的干扰数据。在一个中等规模的系统设计中，CPU 要进行多种操作，如外部存储器的访问，传感器数据的处理等，因此无线通讯干扰信息较多时，特别是在中断通讯模式下，频繁的中断将严重影响主程序的运行，另外由于对nRF401 的操作除了控制输入输出外，还需要对nRF401的收发状态、运行模式切换，因此对于一个总线结构的系统（如485 通讯模式），无线通讯部分也作为一个独立ID 模块时，传统的设计处理遇到了困难。因此需要设置一个中间处理环节，既能有效过滤信息又不影响通讯速率。
 
    为解决上述问题，本设计基于nRF401 作为无线收发芯片，使用两片AT89C2051 作为控制芯片，设计出一套无线通讯系统。其中一片AT89C2051（定义为控制芯片A）控制nRF401，AT89C2051 的IO 接口与串口配合控制nRF401 实现异步通讯；另一片AT89C2051（定义为控制芯片B）既能满足总线串口的要求，又能解决控制芯片A 由于频繁串行中断而不能及时响应总线的问题，起到分担任务、隔离干扰、串口扩展的作用。采用两片2051单片机设计方法，与采用一片双串口单片机设计相比，能降低成本、提高芯片利用率、隔离干扰。实践表明该系统结构简单、抗干扰能力强，能很好解决短距离系统之间的无线通信问题。

2. 系统硬件设计
     系统硬件设计包括无线通讯模块和通讯控制部分。
2.1 基于nRF401 的无线通讯模块设计
    nRF401是Nordic公司研制的单片UHF无线收发芯片，工作在433MHz ISM频段。在接收模式中，nRF401被配置成传统的外差式接收机，所接收的射频调制的数字信号被低噪声放大器放大，经混频器变换成中频，放大、滤波后进入解调器。解调后变换成数字信号输出(DOUT端)。在发射模式中，数字信号经DIN端输入，经锁相环和压控振荡器处理后进入功率放大器射频输出。在本系统设计中，为了避免干扰，将基于nRF401的无线收发部分做在一块单独的PCB板上，引出通讯控制接口(J1)，组成独立的无线收发模块。
 
2.2 基于AT89C2051 的控制系统设计
    控制部分包括两片AT89C2051，控制芯片A 负责处理无线收发模块数据信息，并与控制芯片B 通过P1 口以中断1 方式进行数据交流。控制芯片B 负责处理来自串口的信息，并与控制芯片A 进行数据交流。由于两片AT89C2051 以中断方式并行传输模式传输数据，其数据交换时间远小于单片机串口通讯时间，因此不会影响整个系统的半双工通讯时间。为了满足各种要求，串口通过跳线被设计成232 模式、485 模式和UART 模式。
 

3. 系统软件设计
3.1 通讯协议
    在无线通信的过程中，由于外部环境的干扰，通常误码率比较高，即使发射方不发送数据，接收方仍会经常接收到由于外部干扰而产生的杂乱数据，为了在接收的过程中区分接收到的数据是否为有效数据，必须有一定的通信协议。在传输数据量不大时，为有效处理信息，本系统设计以下通讯协议：
1) 无线收发数据帧由３个字节组成，即８bit的标识位(0xab)，８bit的数据位，８bit的校验位。
2) 无线收发数据帧格式
byte1 高四位为1010(0xa),低四位为数据的高四位

Byte2 高四位为1011(0xb),低四位为数据的低四位

Byte3 为byte1与byte2的异或值。
3 内部单片机之间传输的数据不包括标识字节和校验字节。
4 系统与外部串行通讯时,采用另外的通讯协议(如ModBus协议)。
5 外部输入采用中断方式，内部循环采用查询方式。
6 程序设计中，外部中断优先，以及时接收外部数据信息。
7 执行某一中断时，不响应其他中断。
8 无线通讯模块平时处于接收状态。

3.2 程序流程
    对于控制芯片A，接收无线收发模块数据为串行中断方式，接收控制芯片B 数据为外中断1 方式。主程序运行过程中始终处于检测系统状态字循环方式，当发送缓冲区有数据（来自控制芯片B）时，主程序调用串行发送程序将数据经串口、无线收发模块发送出去；当接收缓冲区有数据（来自无线收发模块）时，主程序调用并行发送程序将数据经P1 口发送到控制芯片B。在设计应将发送缓冲区和接收缓冲区设置为多字节，用来堆积不能及时转移的数据。控制芯片B 的程序流程与控制芯片A 流程相似，只是在接收串口数据时，控制芯片A 程序对数据帧的校验方式不同。
    图4 为程序流程图，其中UART()定义为串行中断服务程序；Int1()定义为外部中断1 中断服务程序；TranByte 定义为发送缓存区；RecByte 定义为接收缓存区；Recsum 定义为接收缓存区计数；Transum 定义为发送缓存区计数；delay 定义为延时子程序；flag 定义为系统状态控制字，其中flag.7 定义为接收缓存区状态标志；flag.6 定义为发送缓存区状态标志。
 

4. 在自主移动机器人系统中的应用
    在自主移动机器人系统中，可靠稳定的通讯系统对机器人与上位机、机器人与机器人之间的信息交换是十分重要的。基于nRF401 的无线通讯系统可以作为中小型自主移动机器人的无线通讯部分，在应用中，将该系统通过跳线设置为RS232 模式与计算机串口相连，另一套系统设置为UART 模式与机器人其它部分组成多机通讯系统，这样便构建了一个机器人与上位机的一套无线通讯系统。
 

5. 结论
    本文给出了一种基于nRF401 的无线通讯系统设计，该系统具有硬件电路简单、成本低廉、编程方便、可靠性高的特点。可以方便地应用于各种总线结构的系统中，作为其无线通讯部分，实现无线数据的双向传输。无线通讯系统传输的安全性和可靠性依赖于良好软件设计，由于外界干扰，无线通讯系统很容易收到误码，无线通讯程序设计中采用的短帧结构、三字节校验法，实践证明对过滤误码是很有效的。另外测试表明在最高通讯速率范围内，适当提高通讯速率可以减少误码率。