无线收发模块应用毕业论文.doc

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1、无线收发模块应用目 录摘 要 4关键词 4第一章 绪 论 5设计前景 5设计内容 5第二章 NRF905收发芯片原理与应用设计 62.1 NRf905应用领域及技术特点 62.1.1 应用领域 62.1.2 技术特点 62.2 NRf905芯片结构、引脚介绍及工作模式 72.2.1 芯片结构 72.2.2 NRF905引脚介绍（如下图） 82.2.3 工作模式 92.2.4 Shock Burst TM模式 92.2.4.1 发送流程 92.2.4.2 接收流程 102.2.5 节能模式102.3 器件配置112.3.1 SPI接口配置 112.3.2 射频配置112.4 NRf905应用电路

2、 122.5 NRf905 计划过程 132.5.1 周边元件选购与组装过程132.5.2 程序编写与调试过程142.5.2.1 NRF905的状态输出 142.5.2.2 nRF905的数据接口 142.5.2.3 nRF905的寄存器配置 142.5.2.4 nRF905的工作过程 152.5.2.5 系统硬件设计 162.5.2.6 控制程序设计 162.5.2.7 初始化配置 162.5.2.8 发送数据 172.5.2.9 接收数据 172.5.3 贴片元器件和完成后的板块图片 17第三章 结论心得体会与进一步的研究 20参考文献 21致 谢 21辅助程序设计详细说明 22摘 要无线

3、通信业在过去的20年中得到了迅猛的发展。从最初的模拟手机（如ETAC和AMPS）到第二代(2G)的GSM和CDMA(IS-95)，以及蓝牙（BLUE TOOTH）、GPRS、EDGE乃至无线局域网（WLAN）和第三代移动通信3G， 一系列的通信制式的发展都表明，人们对移动通信的需求已不再局限于简单的语音通信，而是能集图像、数据传输、娱乐于一体的便携式电子设备。 先进的集成电路技术与系统集成方案的创新使得小型化、低成本、低功耗及便携式的通信设备在无线通信系统中大量使用。可以说，先进的系统设计与集成电路技术的结合使得任意时间任意地点的通信成为现实。近年来，国际通信市场的核心竞争力越来越明显地体现在

4、通信专用集成电路的开发能力上。无线通信的角度对国际上现有集成电路工艺进行分析总结，着重总结了适于无线通信设备小型化、低成本要求的直接上下变频技术的优缺点并给出了相应的解决方案。无线数据收/发电路是从事数字音频无线传输、数字视频无线传输、无线数据通信、无线传输系统、无线遥控和遥测系统、无线数据采集系统，无线网络，无线安全防范系统等应用中，无线收发电路的设计一直是无线应用的一个瓶颈。对于缺少无线收发电路设计经验的我们来说，单片无线收发集成电路的出现，为解决这一难题提供了一个有效的途径。【关键词】无线收发NRF903 NRF905 单工通信第一章 绪 论1.1 设计前景我们今天的时代，已经进入了一个

5、无线无处不在的时代。出门：我们使用手机打电话，发短信；在家：我们使用无绳电话；开车：我们使用GPS 导航找路；上班：我们使用无线网卡上网，办公等等。 随着技术进步，无线通讯和无线网络将迅速向我们日常生活中的各个方面扩展，嵌入式的无线通讯和无线网络正在向我走来，以无线片上系统(SoC)为核心的低功耗，小体积，低价格嵌入式无线通讯和无线网络系统近年来得到了迅速发展，已经产生无数的新应用和新的市场。1.2 设计内容1、掌握常用无线发射模块的技术原理2、选用一种常用的无线发射芯片设计一个实用的无线发射电路3、要求自己选择发射频率、发射功率，该发射电路可以将30Kb/s的数字基带信号发射出去4、要求误码

6、率低5、对所设计的发射电路进行调试，验证设计结果。第二章 NRF905收发芯片原理与应用设计2.1 NRf905应用领域及技术特点2.1.1 应用领域车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等。2.1.2 技术特点三频段收发合一，工作频率为国际通用的ISM频段433/868/915MHz 433/868/915MHz高性能嵌入式无线模块，多频道多频段GMSK调

7、制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合 采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好 灵敏度高，达到-100dBm 低工作电压（2.7V），功耗小，待机状态仅为1uA，可满足低功耗设备的要求 最大发射功率达 +10dBm 具有多个频道(最多170个以上)，特别满足需要多信道工作的特殊场合 工作速率最高可达76.8Kbps 外围元件最少（仅10个），基本无需调试 由于采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米。2.2 NRf905芯片结构、引脚介绍及工作模式2.2.1 芯片结构NRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器

8、功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。NRF905的详细结构如下图所示。2.2.2 NRF905引脚介绍（如下图）2.2.3 工作模式 NRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。NRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三个引脚决定，详见表2。2.2.4 Shock Burst TM模式与射频数据包有关的高速信号处理都在NRF905片内进行，数据速率由微控制器配置的SPI接口决定，数据在微

9、控制器中低速处理，但在NRF905中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，这很有利于节能。由于NRF905工作于Shock Burst TM模式，因此使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。在Shock Burst TM接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。在Shock Burst TM发送模式，NRF905自动产生字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。由以上分析可知，NRF905的Shock Burst TM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时

10、间。下面具体详细分析NRF905的发送流程和接收流程。2.2.4.1 发送流程典型的NRF905发送流程分以下几步：A.当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给NRF905，SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定；B.微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激发NRF905的Shock Burst TM发送模式；C.NRF905的Shock Burst TM发送：l射频寄存器自动开启；l数据打包(加字头和CRC校验码)；l发送数据包；l当数据发送完成，数据准备好引脚被置高；D.AUTO_RETRAN被置高，NRF905不断重发，直到TRX_CE被置低

11、；E.当TRX_CE被置低，NRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。ShockBurstTM工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论TRX_EN和TX_EN引脚是高或低，发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕，NRF905才能接受下一个发送数据包。2.2.4.2 接收流程A.当TRX_CE为高、TX_EN为低时，NRF905进入ShockBurstTM接收模式；B.650us后，NRF905不断监测，等待接收数据；C.当NRF905检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高；D.当接收到一个相匹配的地址，地址匹配引脚被置高；E.当一个正确的数据包接收完毕，NRF905自动移去

12、字头、地址和CRC校验位，然后把数据 准备好引脚置高F.微控制器把TRX_CE置低，NRF905进入空闲模式；G.微控制器通过SPI口，以一定的速率把数据移到微控制器内；H.当所有的数据接收完毕，NRF905把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低；I.NRF905此时可以进入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM发送模式或关机模式。当正在接收一个数据包时，TRX_CE或TX_EN引脚的状态发生改变，NRF905立即把其工作模式改变，数据包则丢失。当微处理器接到地址匹配引脚的信号之后，其就知道NRF905正在接收数据包，其可以决定是让NRF905继续接收该数据包还是进入另一个工作

13、模式。2.2.5 节能模式NRF905的节能模式包括关机模式和节能模式。在关机模式，NRF905的工作电流最小，一般为2.5uA。进入关机模式后，NRF905保持配置字中的内容，但不会接收或发送任何数据。空闲模式有利于减小工作电流，其从空闲模式到发送模式或接收模式的启动时间也比较短。在空闲模式下，NRF905内部的部分晶体振荡器处于工作状态。NRF905在空闲模式下的工作电流跟外部晶体振荡器的频率有关。2.3 器件配置所有配置字都是通过SPI接口送给NRF905。SIP接口的工作方式可通过SPI指令进行设置。当NRF905处于空闲模式或关机模式时，SPI接口可以保持在工作状态。2.3.1 SP

14、I接口配置 SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息；射频配置寄存器包含收发器配置信息，如频率和输出功能等；发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数；发送数据寄存器包含待发送的数据包的信息，如字节数等；接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。2.3.2 射频配置射频配置寄存器和内容如表（如下）所示：射频配置寄存器射频寄存器的各位的长度是固定的。然而，在ShockBurstTM收发过程中，TX_PAYLOAD、RX_PAYLOAD、TX_ADDRESS和RX_ADDR

15、ESS 4个寄存器使用字节数由配置字决定。NRF905进入关机模式或空闲模式时，寄存器中的内容保持不变。2.4 NRf905应用电路NRF905在使用中，根据不同需要，其电路图不尽相同，最上图所示为典型的应用原理图，该电路天线部分使用的是50单端天线。在NRF905的电路板设计中，也可以使用环形天线，把天线布在PCB板上，这可减小系统的体积。2.5 NRf905 计划过程2.5.1 周边元件选购与组装过程在选购元器件的时候，要注意它们的参数。按照老师指导时提到的相关信息去选购，选购的同时也可是问问卖家相关的知识。一般卖家愿意说的话，会提醒应该注意些什么，在焊接的过程中该怎么做。 按照我们大一大

16、二时学的焊接技术和焊接顺序所得到结论就是“先小后大，先低后高”特别是贴片元器件，先注意安装好中心的，看看自己设计的电路图，在脑海中形成一个空间漂浮图，将所有的元器件看一边，也要记住他的外观，这样更好的配合你空间安装，这样，避免你在实际中出错。实际安装是，一顶要注意，铁片元器件很小，不能用太大风力的波峰焊，也不能用粗的电烙铁。要配合用其他工具（如：镊子，毛扫等）。这次设计，我采用小板+贴片元器件，因为考虑到将来的板块都有大量的贴片元器件。所以，选择贴片也是一种锻炼。我安装的过程是先安装芯片（NRP905核心部分原因是它较小，脚小而复杂，）在安装完成过程中，要细心检查是否没个管角都焊到电路板上，为

17、了不给以后带来更大麻烦，请用万用表测试周围相连的地方是否导通。虽然检查通过也好，在安装其他元器件的时候，也要注意头碰到IC，特别是烙铁头的焊锡，如果点上就麻烦大了，严重的话要重新拆卸安装。安装周边的贴片元器件时，用点的方式安装贴片元器件。安装一次，要清理烙铁头上残留的焊锡。保证烙铁头上残留的焊锡不会碰到其他贴片元器件而造成短路。大电容和晶振接着安装，最后安装大的直插试机件件和天线。这次设计的安装过程路线就到这里，以后有更好的方法会跟大家交流。2.5.2 程序编写与调试过程程序这部分由指导老师用C语言编程编写，编写好后由我们和导师一起调试。（程序在“致谢”之后附带）2.5.2.1 NRF905的

18、状态输出nRF905有3个引脚用于状态输出，分别是：CD(载波检测)、AM(地址匹配)和DR(数据就绪)，均为高电平有效。nRF905在处于接收模式时，若检测到接收频率段的载波，就置CD为高；接着检测载波数据中的地址字节，若与本身已配置的接收地址相同，则置AM为高；若再检测到接收数据中的CRC校验正确，则存储有效数据字节，置DR为高。此外，nRF905还有一个时钟输出引脚uPCLK，供用户选择使用。通过配置内部寄存器，可改变其频率输出，这一点在调试时很有用。无线系统至少需要一发一收两个设备，调试时若出现问题很难判断是哪一方的故障。可以通过修改nRF905的寄存器，用示波器观察uPCLK输出是否

19、变化的方法，来判断其硬件电路和CPU操作nRF905的程序是否正确，从而判断该设备是否工作正常。2.5.2.2 nRF905的数据接口外围MCU通过SPI总线配置nRF905的内部寄存器和收发数据。nRF905的SPI总线包括4个引脚：CSN(SPI使能)、SCK(SPI时钟)、MISO(主人从出)和MOSI(主出从人)。这里nRF905为从机，其SPI的时钟范围很宽，可以从1 Hz10 MFIz，因此MCU在写控制程序时不必苛求时间的准确度。SPI总线的每次操作都必须在使能引脚CSN的下降沿开始，CSN低电平有效，总线上的数据在时钟的上升沿有效。MCU对SPI总线的操作不外乎两种方式：读和写

20、。在进行读操作时，先把CSN置低，然后在MOSI数据线上输出一个表示读命令的字节，与此同时，nRF905会在MISO数据线上输出一字节表示状态信息的数据，随后输出一地址字节，后面跟随有效数据。在进行写操作时比较简单，MCU先把CSN拉低，然后在MOSI线上输出写命令字节和数据字节即可。2.5.2.3 nRF905的寄存器配置nRF905内部有5类寄存器：一是射频配置寄存器，共10个字节，包括中心频点、无线发送功率配置、接收灵敏度、收发数据的有效字节数、接收地址配置等重要信息；二是发送数据寄存器，共32字节，MCU要向外发的数据就需要写在这里；三是发送地址，共4个字节，一对收发设备要正常通信，就

21、需要发送端的发送地址与接收端的接收地址配置相同；四是接收数据寄存器，共32字节，nRF905接收到的有效数据就存储在这些寄存器中，MCU可以在需要时到这里读取；五是状态寄存器，1个字节，含有地址匹配和数据就绪的信息，一般不用。MCU若要操作这些寄存器，需遵循nRF905规定的操作命令，常用的有以下7种，都是1个字节：写射频配置(OXH，“X”含4位二进制位，该字节表示要开始写的初始字节数)、读射频配置(1XH，“X”含4位二进制位，该字节表示要从哪个字节开始读)、写发送数据(20H)、读发送数据(2lH)、写发送地址(22H)、读发送地址(23H)和读接收数据(24H)。关于寄存器的详细信息可

22、以参阅nRF905的数据手册。2.5.2.4 nRF905的工作过程nRF905在正常工作前应由MCU先根据需要写好配置寄存罨，或是按照默认配置工作。其后的工作主要是两个：发送数据和接收数据。发送数据时，MCU应先把nRF、905置于待机模式(PWR_UP引脚为高、TRX_CE引脚为低)，然后通过SPI总线把发送地址和待发送的数据都写入相应的寄存器中，之后把nRF905置于发送模式(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高)，数据就会自动通过天线发送出去。若射频配置寄存器中的自动重发位(AuTO_RETRAN)设为有效，数据包就会重复不断地一直向外发，直到MCU把TRX_CE拉低，退出发送

23、模式为止。为了数据更可靠地传输，建议多使用此种方式。接收数据时，MCU先在nRF905的待机模式中把射频配置寄存器中的接收地址写好，然后置其于接收模式(PWR_UP=1、TRX_CE=1、TX_EN=O)，nRF905就会自动接收空中的载波。若收到地址匹配和校验正确的有效数据，DR引脚会自动置高，MCU在检测到这个信号后，可以改其为待机模式，通过SPI总线从接收数据寄存器中读出有效数据。2.5.2.5 系统硬件设计待添加的隐藏文字内容2MSP43O的USART模块可通过寄存器配置为通用异步串行口或SPI模块功能，这里配置为SPI模块。本系统选用的MCU是MSP430F133，在硬件设计时把MC

24、U的SPI接口和nRF905的SPI接口相连即可，另外再选几个IO口连接aRF905的输入输出信号，如图1所示。对于初次接触无线系统的设计者，因其射频部分的元件采购、焊接和调试比较麻烦，可以选用PTR8000模块。该模块内核使用nRF905，硬件电路已经焊好，使用起来相对方便一些。 2.5.2.6 控制程序设计本系统设计的重点是控制nRF905的程序设计，大致分两个阶段：首先是对nRF905进行初始配置，配置完成后按需要编写数据的发送或接收程序。2.5.2.7 初始化配置第一阶段应完成初始化配置，分以下几项：MSP430的SPI接口设置。MSP430的异步串行接口和SPI接口用同一个uSART

25、模块，这里需要用软件配置为SPI功能。本设计中SPI配置为主机模式、3线制和8位数据。初始化nRF905的射频配置寄存器。这些寄存器中有很多信息，必须根据实际情况进行配置，本设计中nRF905外接16 MHz晶体，“XOF”应配置为“011”；“PA_PWR”为发射功率，”RX_RED_PWR”为接收灵敏度，可根据需要配置；另外还有发送地址、接收地址、发送数据和接收数据的长度(字节数)，可根据实际应用配置。注意这组寄存器中还有接收时的实际地址，而发送地址在其他单独寄存器中。配置nRF905的发送地址，最多4个字节(32位)，发送端的发送地址应与接收端设备的接收地址相同。在实际工作中，nRF90

26、5可以自动滤除地址不相同的数据，只有地址匹配且校验正确的数据才会被接收，并存储在接收数据寄存器中。2.5.2.8 发送数据使nRF905发送数据前，需要MSP430通过SPI总线在待机模式下先把待发数据填进发送数据寄存器中，一次最多32 B。然后把nRF905的“TRX_CE”、“TX_EN”引脚都置为高电平，数据就会自动发送出去。本设计在射频配置寄存器中选定了自动重发位，因此在“TRX_CE”被置高的时间内数据一直在重复不断地发。本程序中设计延时500 ms，之后拉低“TRX_CE”引脚，回到待机模式。2.5.2.9 接收数据MSP30把nRF905的“TRX_CE”引脚置为高电平，“TX_

27、EN”引脚拉为低电平后，就开始接收数据。本设计中CPU在设定的35 s内一直判断nRF905的“DR”引脚是否变高，若为高，则证明接收到了有效数据，可以退出接收模式，若一直没有接收到，待时间到时也退出接收模式。退出后在待机模式，CPU通过SPI总线把nRF905内部的接收数据寄存器中的数据读出，即接收到的有效数据。编写接收部分程序时，有一点应该注意，很多资料中都没有提到，就是CPU在“M0SI”信号线上发出读命令字节后，在“MISO)”信号线上nRF905会自动返回一字节数据，为本身的状态寄存器信息，后续的接收数据并不会自动跟着输出，只有CPU在“MOSI”上再输出一个字节(可以是随意值)，n

28、RF905才会在“MISO”上返回一个字节，CPU再发，nRF905再返回，直到读完为止。2.5.3 贴片元器件和完成后的板块图片第三章 结论心得体会与进一步的研究1、首先，我们本来是采用NRF903的，到市场上找不到配件和材料，最后拜托市场的朋友找，还是没找到，要去原公司定做，可是要定做100块以上才做，而且是100块一套（板和配套）。2、通过这几周的实习，焊好以后，先看晶振是不是起振，然后测试往NRF905内写配置字，我的第一块板子怎么也写不进去，MSIO有波形，但是MISO上始终都是低电平(此时板子是)，我是第一次调高频板，所以就瞎弄，结果MISO终于被拉高了，但是永远被拉高了，这回板子

29、坏了，因为我重新测了晶振，不起振了。3、结果就焊了第二块板子，这一次学聪明了，先叫老师重新检查以下他编写的程序（因为我们换芯片的缘故，程序很难，所以老师负责编程，再加上临时学C+是不可能的），所以只有老师能完全看懂程序是否正确 ，结果检查发现是一个延时程序写错了，所以很多人说自己调试的时候，读配置总是FF或者00的时候，也不能完全就怪是905端的问题，有可能也是最小系统的问题。4、发送和接受对调的时候，如果接受不到，别急，先看发送端的VDD_PA是不是有个1。8V左右的方波(因为是持续发送，加上换芯片和板子，所有图形没有拍下来)，如果是，再看接收端有没有别的问题，一般来说，只要读配置字是好的，

30、发送和接受也就是把程序加上，一瞬间的事情了。5、天线的问题：我之前在网上查过资料，天线能不能自己绕，很多人都说要买，但是实际上，用漆包线绕的效果也很好。漆包线要选1/4波长，这样增益理论上应该是最大的（这只是根据以前学过的一点点知识的猜算，最后还是到市场买）。自己的板子做接收端，设置发射功率为10dbm，隔两堵墙，能发30m左右 ，更长的就没测了。以后如果再有机会，希望能跟爱好电子的同学研究和讨论一下，感觉很有意思。参考文献1 无线通信集成电路/黄智伟编著/北京航空航天大学出版社. -2005.72 单片机天线数据通信IC原理与应用/黄智伟编著/北京航空航天大学出版社.2004.113 单片无线收发集成电路与应用/黄智伟编著/北京:人民邮电出版社，2005.94 射频集成电路芯片原理与应用电路设计/黄智伟编著/，北京-电子工业出版社2004.35 网络资料。6 赛格电子市场所提供的资料。