1、I / 46基于射頻無線通信技術的多路數據采集系統的研究與設計摘 要數據采集系統在多個領域有著廣泛的應用。近年來，數據采集系統的發展趨勢是簡化終端結構，增加主機攜帶數據終端的數量；在數據采集終端與主機之間采用無線通信，以代替復雜、不靈活的現場布線。根據這一考慮，在本課題中設計并實現了一種無線多路數據采集系統。此系統在實時性適中的要求下，實現了監控主機與多路便攜式數據終端之間的無線數據通信監測。本文基于射頻模塊nRF905芯片的多路無線數據采集系統的設計。系統采用主機-從機體系結構,主機可對多個終端從機采樣點進行數據讀取。為了保證數據傳輸的可靠性,必須對數據傳輸制定簡單的通信協議,用戶可以通過與

2、系統進行交互來控制諸如報警限之類的系統參數。它是以STC89C52RC單片機為控制單元，以溫度傳感器DS18B20為檢測器件，以無線收發模塊NRF905完成數據的無線傳輸，用數碼管進行顯示，實現溫度的監測、無線傳輸、顯示。本文詳細介紹了無線數據傳輸平臺硬件模塊的設計與其功能的實現，利用無線數據傳輸模塊構建一個小型無線局域網絡，該網絡包括一個主機和多個終端從機，主機和終端從機之間通過無線傳輸模塊進行數據通信，通過應用程序完成數據的處理。關鍵詞：nRF905，射頻無線通信，溫度傳感器，多路數據采集R Researchesearch andand D Designesign ofof Multi-c

3、hannelMulti-channel D Dataata A Acquisitioncquisition SystemSystem BasedBased onon thethe RFRFW Wirelessireless C Communicationommunication T TechnologyechnologyABSTRACTABSTRACTData acquisition system is widely used in many fields. In recent years, data acquisition system trend to simplify the termi

4、nal, increase data acquisition terminals controlled by the host; In data acquisition terminal and using wireless communication between host computer to replace complex, not flexible site wiring. According to this consideration,designand implement a wireless multi-channel data acquisition system in t

5、his research. This system in real-time moderate request, realized monitoring host and multi-channel portable data terminal of wireless data communication between monitoring.This paper based on the RF multi-chip module nRF905 wireless data acquisition system.It uses host - client machine system struc

6、ture in thissystem, the host can from machine to multiple terminal data sampling loading. In order to guarantee the reliability of the data transmission of data transmission, must be formulated simple communication protocol, the user can interact with the system, such as the alarm limit to control t

7、he system parameters such as. It is STC89C52 microcomputer as the control unit, temperature sensor DS18B20 for detection devices to wireless transceiver module NRF905 complete data wireless transmission,usingadigital tube display, realize temperature monitoring,wireless transmission and display.This

8、 paper introduces wireless data transmission platform hardware module design and its function, using wireless data transmission module to construct a small wireless local area network, the network includes a host and multiple terminal from machine, host and terminal through wireless transmission bet

9、ween from machine data communication module, through application complete data processing.KEYKEY WORDSWORDS: nRF905, RF wireless communication, temperature sensor, multi-channel dataacquisition III / 46目目 錄錄摘要 IABSTRACTII1 緒論 11.1 課題的背景和意義 11.2 無線測量的發展現狀與發展趨勢 11.3 主要研究容與安排 31.4 本論文結構 42 無線通信的開發介紹 52

10、.1 無線通信技術的選擇 52.2 無線通信技術的發展與現狀 52.3 器件的選擇與介紹 72.3.1 無線傳輸芯片的選擇 72.3.2 溫度傳感器的選擇 92.3.3 主要器件的介紹 102.4 本章小結 223 系統方案與硬件設計 233.1 系統方案論證 233.2 單片機硬件電路設計 243.3 無線收發模塊 243.4 電壓轉換模塊 253.5 溫度采集電路 253.6 數碼管顯示模塊 253.7 系統總體電路圖 263.8 本章小結 264 系統的功能描述與軟件設計 274.1 無線多路數據采集系統的 274.1.1 信號采集模塊 274.1.2 單片機 STC89C52RC 主控

11、單元 274.1.3 無線傳輸發送端 274.1.4 無線傳輸接收端 274.1.5 溫度報警模塊 274.2 系統軟件總體架構設計 284.2.1 底層驅動層 284.2.2 界面層 284.2.3 應用層 284.3 系統所使用的通信協議 284.4 多路無線數據測量發送端流程與程序 294.4.1 發送端工作過程總體描述 294.4.2 發送端工作過程分述 294.5 多路無線數據測量接收端流程與程序 314.5.1 接收端工作過程總體描述 314.5.2 接收端工作過程分述 314.6 LED 驅動子程序的設計 324.7 DS18B20 溫度采集子程序的設計 324.8 本章總結 3

12、45 總結與展望 355.1 課題總結 355.2 展望 35致 36參考文獻 37附錄原理圖 38附錄 PCB 圖 39附錄實物圖 401 / 461 緒論1.1 課題的背景和意義隨著智能控制系統的進一步發展，以嵌入式操作系統為平臺，依賴于無線網絡數據傳輸的系統得到越來越廣泛的應用，而采用溫度傳感器進行溫度檢測更是被廣泛的應用于人們的日常生產和生活當中。但是，伴隨溫度傳感器而來的是大量的數據線纜，數量眾多的線纜不僅帶來布線復雜的不便，而且存在著短路、斷線的隱患，加之成本高、易老化，錯綜復雜的線路還給系統的調試和維護增加了難度。因此，無線通信技術與有線通信技術相比，有成本低、攜帶方便、不必穿墻

13、鉆孔布線、搭建網絡簡單快捷等優點。特別是在有線網絡不通暢或由于現場環境因素的限制不便架設線路的情況下，使用無線通信技術進行數據采集、傳輸顯得更加實用、高效、快捷。然而，由于無線傳感器網絡具有巨大的應用價值，已經引起了世界許多國家的軍事部門、工業界和學術界的極大關注。隨著無線技術的不斷發展，人們會發現，被無線化武裝起來的智能家庭、智能商業、智能交通陸續呈現在我們的面前，融入生活中的每一個角落，極大的方便了我們的生活。所以開發出性價比高的無線溫度測量系統有著十分重要的意義。現今，我國的無線傳感系統的研究有了很大的成就，在國的大型糧倉系統、火災預防系統、無線溫度測量系統的普與率不高，只是在國家級大型

14、企業中得到了廣泛的應用。可是，在發達國家，無線數據應用方面已經非常普與，他們從無線廣域網，無線局域網，無線個人網，已近走向了第三代無線通信技術（3G）,并且在智能無線溫度控制上出現了更多新的器件和方法，并且有些已經運用到實際生活和生產當中。因此，從本研究問題的深度和投入科研力量角度來說，國的水平還處于相較于國外還比較落后；另外從問題的點上可以更好的服務于科研，提高生產效率，降低危險事故發生的幾率，在國具有很強的現實意義，這有待于我們的進一步研究與提高。1.2 無線測量的發展現狀與發展趨勢數據采集技術是信息科學的重要組成部分，已廣泛應用于各個領域。在數據傳輸方式上，目前數據采集系統基本上是通過有

15、線方式進行連接，有線方式的數據傳輸速度快，可靠性高且運行穩定，能滿足大多數情況的需要，但是其應用受現場環境和應用對象的限制。近年來，隨著射頻技術、微電子技術與集成電路技術的進步，無線通信技術取得了飛速的發展，無線通信的實現成本越來越低，傳輸速度越來越快，可靠性越來越高，并且逐漸達到可以和有線網絡相媲美的水平。短距離無線通信技術是近年來的研究熱點，將無線技術引入數據采集領域，可以解決某些無法或不便布線的環境下的數據采集問題，以與解決有線網絡帶來的布線麻煩、不易維護等缺點。有些數據采集系統應用于智能家居領域的，但也進一步拓展至其它諸如工業控制、儀器儀表等領域對象的狀態監測。隨著計算機技術的發展和計

16、算機技術在信號處理中的廣泛應用，現代的測量系統在數字信號處理方面的能力也大大加強了，形成了數字化測量技術。數字化測量就是借助于各種類型的傳感器檢測外部世界的各種信號，并轉換成電信號，然后進行信號調理和 A/D 轉換，使之轉換成為能夠在數字系統中進一步處理的數字信號。具體來說，就是將溫度、濕度、氣體密度等物理信號轉化為數字量并傳遞到計算機中。作為信息源頭的傳感器對計量測試技術的發展有著重要作用。目前，傳感器正不斷朝著多功能性和智能性方向發展。目前，已經將傳感器技術和新興的無線通信技術相結合，力圖通過數據傳輸的無線化來達到智能家居中布線不便時對室生活環境指標數據的采集。隨著計算機技術、通信技術、網

17、絡技術、控制技術和信息技術的迅猛發展與提高，人們對所居住的環境提出了更高的要求，在這種形勢下發展出了“智能家居”這一概念。目前，智能家居通常被定義為利用通信、網絡和綜合布線技術，通過家庭信息管理平臺將與家居生活有關的各種子系統有機地結合的一個系統。智能家居首先要實現對所有家電設備和家居環境的監視，滿足家居網絡與外界進行通信的要求，實現家庭的遠程監控和信息的交換。智能家居的最終目的就是滿足人們對安全、舒適和方便的現代生活理念的追求。智能家居中，對當前環境狀況的監測分析是首要的，無線數據采集系統即是針對智能家居中對室生活環境指標如溫度和濕度等進行采集分析的解決方案。近年來，智能控制技術已取得了突飛

18、猛進的發展，并日益顯示出其重要價值。智能控制已成為多種學科的綜合與集成，吸引了全球不同領域、不同學科的眾多專家學者，進行著廣泛的研究工作，并不斷探索新的方法、新的理論和新的有效的實際應用。人們正在努力使用智能控制技術進入工程化和實用化的階段，智能控制已漸漸滲透到人們生產、生活的各個領域，成為人們生活的重要組成部分。隨著科學技術的發展和社會的進步，電子技術、計算機技術等的革新，智能控制必將迎來發展的新時期，智能控制的未來一定會更加美好。關于溫度智能控制，現在已經有了許多新的器件和方法，并且有些已經運用到實際生活和生產當中，比如美國達拉斯公司生產的 DS18B20 溫度巡檢器，采用單線總線結構，通

19、過一根 I/O 線與主控 CPU 進行數據和命令的傳送。再如基于反射強度調制的光纖溫度巡檢系統，光纖傳輸距離可達 1km 以上，檢測精度也可顯著提高。而更為先3 / 46進的是，某些糧倉已經在嘗試將有線控制變位無線控制，利用無線傳感器來實現糧情檢測和智能控制。這些新器件新方法的應用，給溫度智能控制帶來了新的氣息。1.3 主要研究容與安排首先介紹溫度傳感器與無線收發芯片的發展狀況，結合系統方案的要求詳細論證實現溫度數據采集與無線傳輸方案的設計思路與系統的總體架構，然后詳盡地闡述了系統的硬件電路結構和完成各項功能相關的軟件設計。要求研究的無線傳輸高精度測溫系統主要由三大部分組成：溫度測量部分、無線

20、傳輸部分、可視化編程實現的上位機遠程控制部分。溫度測量部分主要完成對溫度信號的采集和處理，最后得到高精度溫度數據。最后對整套系統的性能進行測試。主要研究基于無線收發芯片 nRF905 的短距離無線溫度測量系統方案的設計思想和實現方法。系統以嵌入 51 單片機核的單片射頻收發芯片 nRF905 為核心,采用數字式溫度傳感器 DS18B20、無線收發技術與計算機技術,實現溫度數據的采集和短距離無線傳輸。系統結構簡單,可靠性高,數據傳輸速度快,功能易擴展,適于多種應用領域。課題容主要分為硬件和軟件兩大部分。在硬件上主要是嵌入式數據采集模塊硬件實現，在這一部分涉與到溫度采集模塊、射頻收發模塊和微處理器

21、的選型等。在軟件上，一方面是完成上位機溫度監控軟件的設計;另一方面針對現場進行編程實現溫度數據的采集，實現下位機嵌入式數據采集模塊的數據采集功能、數據處理與傳輸功能。最終實現數據的實時傳輸，在線監測。本課題所研究的無線溫度測量系統是短距離無線通信技術在溫度測量方面的一個具體應用。主要研究容包括以下幾方面：(1)選用溫度傳感器時，應重點考慮測量精度高，抗干擾能力強，穩定性好，信號易于處理、傳送，便于多路測量，安裝方便，維護簡單，環境溫度補償容易的器件；(2)在硬件設計時，結構要盡量簡單實用、易于實現，應盡量使用各種總線技術，以節約系統有限的資源，并使系統電路盡量簡單；(3)在硬件電路和軟件程序設

22、計時，一定要增加抗干擾措施，提高系統的抗干擾能力，保證系統的穩定性；(4)軟件設計必須要有完善的思路，要充分考慮到各傳感器和無線收發器的時序，做到程序簡單，調試方便；(5)通過軟件設計，盡量降低無線數據傳輸的誤碼率。根據多點無線測溫系統的特點，我們所提出的測溫方案，具有以下幾個方面的特性：(1)采用新型的數字溫度傳感器，簡化測溫電路；(2)采用射頻芯片進行數字信號傳輸，實現溫度數據的實時傳送；(3)對傳輸到計算機實際得到的溫度場數據，可以通過軟件進一步實現溫度信息的智能化管理。1.4 本論文結構本論文共有六章，其中軟件設計部分是本論文的重點，分別對無線測溫系統進行詳細的介紹。第一章緒論。第二章

23、是對無線通信的開發介紹與對無線多路數據測溫系統主要器件的介紹，首先介紹了單總線技術，重點介紹數字溫度傳感器 DS18B20，對它的部結構、工作原理、工作過程等做重點描述，隨后詳細介紹了本系統的所使用的無線收發芯片 NRF905。第三章是對無線多路數據采集系統的功能描述，包括信號采集模塊、單片機、無線傳輸發送模塊、無線傳輸接收模塊、報警模塊、上位機的具體功能。第四章介紹無線多路數據測量系統的總體方案和系統硬件的設計，給出總體結構框圖以與各模塊的具體硬件電路。第五章介紹了本系統的軟件設計，介紹了無線多路數據系統的整體軟件框圖，詳細介紹了數據采集和無線收發流程與程序。第六章總結與展望。5 / 462

24、 無線通信的開發介紹2.1 無線通信技術的選擇無線通信包括長距離無線通信和短距離無線通信。長距離無線通信一般要借助基站達到長距離通信的目的，被稱為長距離移動通信，比如手機通信。這種長距離移動通信一般成本都比較高。隨著電子技術的不斷進步，短距離無線通信技術在近幾年蓬勃發展起來，世界上主要的芯片廠商都推出了無線收發芯片。短距離無線通信系統的大部分功能都集成到一塊芯片部，一般使用單片數字信號射頻收發芯片，加上微控制器和少量外圍器件構成專用或通用無線通信模塊。所有高頻元件包括電感、振蕩器等己經全部集成在芯片部，一致性良好，性能穩定且不受外界干擾。射頻芯片一般采用 FSF 調制方式，工作于 IsM頻段，

25、通信模塊一般包含簡單透明的數據傳輸協議或使用簡單的加密防議，發射功率、工作頻率等所有工作參數全部通過軟件設置完成，用戶不用對無線通信原理和工作機制有較深的了解，只要依據命令字進行操作即可實現基本的數據傳輸。新一代短距離無線數據通信系統具有體積小、功耗低、穩定性好、抗干擾能力強等優點，而且開發簡單快速，可以方便地嵌入到各種設備中，實現設備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網絡，在工業、民用領域得到較為廣泛的應用。對于一個系統來說，無線通信技術的選擇主要考慮以下幾點: :(1) 可以完成系統的功能要求。(2) 對于一個無線測溫系統來說，需要對傳感器收集到的信號進行處理，并要求系統的可靠性高、穩定性

26、好、抗干擾能力強，且對于一個無線系統來說，低功耗也是一項重要的指標。(3) 開發簡單收發芯片所需的外圍元件數量芯片外圍元器件的數量直接關系到系統的復雜程度和成本，因此應該選擇外圍元件少的收發芯片。通信協議的復雜程度也完全影響了整個系統的開發的復雜性。(4) 成本低下面是對現在比較常用的幾種短距離無線通信技術進行對比，并得到本系統的短距離解決方案。2.2 無線通信技術的發展與現狀隨著移動通信需求和遠程數據采集量的增加，加之有線傳輸的費用日益增長，人們正逐漸認識到在許多檢測領域采用無線傳輸的必要性。在過去的幾年中，無線通訊領域取得了很大的進展，這其中包括數字電路和射頻電路制作工藝的進步、低功耗電路

27、、高能電池以與微電子技術的采用。短距離無線通信方案目前有藍牙技術(Bluetooth)、IEEE802.llb (Wi-Fi)、Zigbee、HomeRF 和紅外通信技術 IrDA(InfraredDataAssociation)。1. . 藍牙技術(Bluetooth) 藍牙技術作為一種近距離無線連接的全球性開放規，己經得到了全球眾多大企業的支持。藍牙技術同時支持語音和數據傳輸，使用跳頻擴頻技術，本身包括糾錯機制，可靠性高，藍牙規的核心部分協議允許多個設備進行相互定位、連接和交換數據，并能實現互操作和交互式應用。但是藍牙設備價格昂貴，通信協議復雜，通訊距離近，藍牙 RF 定義了三種功率等級(

28、100mw，25mw 和 lmw)，當藍牙設備功率為 lmw 時，其發射圍一般為 10m。在藍牙技術的使用過程中，人們發現藍牙技術盡管有許多優點，但仍存在許多缺陷。對工業，家庭自動化控制和遙測遙控領域而言，藍牙技術顯得太復雜，功耗大，距離近，組網規模太小等，而工業自動化對無線通信的需求越來越強烈。正因此，經過人們長期努力，Zigbee 協議在 2003 年過后，于 2004 正式問世了。2. . 紅外通信技術(IrDA)紅外通信技術 lrDA(InfraRedDataAssociation)采用人眼看不到的紅外線傳輸信息，是使用最廣泛的短距離無線通信技術。它利用紅外線的通斷表示計算機中的 0-

29、1 邏輯，通常有效作用半徑 2 米，傳統速度可達 4Mbit/s。1995 年 lrDA 將通信速率擴展到的高達 16Mbit/s，紅外技術采用點到點的連接方式，發射、接收具有方向性，具有體積小、功耗低、連接方便、簡單易用、數據傳輸干擾少、速度快、性強、成本低廉的特點。因此廣泛應用于各種遙控器，筆記本電腦，PDA，移動等移動設備。但紅外技術只是一種視距傳輸技術，有效距離近，發射角度較小，一般不超過 20 度，兩臺相互通信的設備之間必須對準，而且傳輸數據時兩臺設備之間不能有阻擋物，只能限于兩臺設備通信，無法靈活構成網絡，且無法用于邊移動邊使用的設備，另外，lrDA 設備中的核心部件 LED 易磨

30、損。3. . IEEE802.11b (Wi-Fi)IEEE802.llb 技術標準是無線局域網的國際標準，使用 2.4GHZ 的 ISM 頻段，采用直接序列擴頻 DSSS 技術進行調制解調增強了抗干擾能力，提高了傳輸速度。IEEE802.llb 無線網絡的最大優點是兼容性，只要在原有網絡上裝上 AP (AccessPoint)，就可以提供無線網絡服務，終端設備只要裝上無線網卡，就可以訪問所有網絡資源，象使用有線局域網一樣方便，卻免除了布線的麻煩。802.llb 具有有線等價機制WEP(Wired Equivalent Privacy)力確保數據安全。以其具有穿透能力，全方位傳送，建網速度快，

31、可用來組建大型無線網絡，運營成本低，投資回報快等特點，正逐漸受到電信制造商和運營商的青睞，目前此種設備還比較昂貴，妨礙了其推廣和應用。更多新的 Wi-Fi 標準正在制定之中。速度更快的 802.11g 使用與 802.llb 一樣的正交頻7 / 46分多路復用(OFDM)調制技術，同樣工作在 24GHZ 頻段，速率達 54Mbit/s，比目前通用的 802.llb 快了 5 倍，并且完全向后兼容 802.11b，802.11g 將有可能被大多數無線網絡產品制造商選擇作為產品標準，而下一代的 Wi 一 Fi 標準 802.lln 可望達到100Mbit/s。4. . HomeRF 技術HomeR

32、F 的標準集成了語音和數據傳送技術，工作頻段為 2.4GHz，數據傳輸速率達到 100Mbit/s，在 WLAN 的安全性方面主要考慮訪問控制和加密技術。HomeRF 是對現有無線通信標準的綜合和改進：當進行數據通信時，采用 IEEE802.11 規中的 TCP/IP 傳輸協議；當進行語音通信時，則采用數字增強型無繩通信標準。但是，該標準與802.11b 不兼容，并占據了與 802.11b 和 Bluetooth 一樣的 2.4GHz 頻率段，所以在應用圍上會有很大的局限性，更多的是在家庭網絡中使用。5. .Zigbee 技術Zigbee 技術是隨著工業自動化對于無線通信和數據傳輸的需求而產生

33、的，它是一個由可多到 65000 個無線數傳模塊組成的一個無線數傳網絡平臺，十分類似現有的移動通信的 CDMA 網或 GSM 網，每一個 Zigbee 網絡數傳模塊類似移動網絡的一個基站，在整個網絡圍，它們之間可以進行相互通信;每個網絡節點間的距離可以從標準的 75米，到擴展后的幾百米，甚至幾公里;另外整個 Zigbee 網絡還可以與現有的其它的各種網絡連接。Zigbee 技術的目標就是針對工業，家庭自動化，遙測遙控，汽車自動化、農業自動化和醫療護理等，例如燈光自動化控制，傳感器的無線數據采集和監控，油田，電力，礦山和物流管理等應用領域。另外它還可以對局部區域移動目標例如城市中的車輛進行定位。

34、Zigbee 網絡省電、可靠、成本低、容量大、安全，可廣泛應用于各種自動控制領域。Zigbee 技術和 RFID 技術在 2004 年就被列為當今世界發展最快，市場前景最廣闊的十大最新技術中的兩個。盡管國不少人已經開始關注 Zigbee 這項新技術，然而，由于 Zigbee 本身是一種新的系統集成技術，應用軟件的開發必須和網絡傳輸，射頻技術和底層軟硬件控制技術結合在一起。因而深入理解這個來自國外的新技術，再組織一個在這幾個方面都有豐富經驗的配套的隊伍，是一件不容易的事情。通過以上幾種無線技術的介紹，從系統的經濟性、傳輸速率，確定該系統部分電路設計使用無線收發芯片。無線單片芯片的可靠性高、穩定性

35、好、抗干擾能力強，通訊防議簡單透明，技術成熟。使用該種方案無線通信接口與數據采集系統接口電路設計簡單。無線收發芯片的種類和數量比較多，在設計中選擇合適芯片可以提高產品開發周期、節約成本。2.3 器件的選擇與介紹2.3.1 無線傳輸芯片的選擇無線傳輸芯片的種類和數量比較多，在設計中選擇合適芯片可以提高產品開發周期、節約成本。在選擇時，應主要參考以下幾點：(1) 收發芯片的數據傳輸是否需要進行曼徹斯特編碼：采用曼徹斯特編碼的芯片，在編程上會需要較高的技巧和經驗，需要更多的存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數據傳輸的效率，一般僅能達到標稱速率的 1/3，而采用串口傳輸的芯片，應用與編程非常簡單，

36、傳送的效率很高，標稱速率就是實際速率，編程方便。(2) 收發芯片所需的外圍元件數量：芯片外圍元器件的數量直接關系到系統的復雜程度和成本，因此應該選擇外圍元件少的收發芯片。(3) 功耗：大多數無線收發芯片是應用在便攜式產品上的，因此功耗也非常重要，應該根據需要選擇綜合功耗較小的產品。(4) 發射功率：在同等條件下，為了保證有效和可靠的通信，應該選用發射功率較高的產品。(5) 收發芯片的封裝和管腳數：較少的管腳以與較小的封裝，有利于減少 PCB 面積降低成本，適合便攜式產品的設計，也有利于開發和生產。常用的無線收發芯片主要有： (1) CC1000 是根據 ChiPcon 公司的 SmartRF

37、技術，在 0.350umCMOS 工藝下制造的一種理想的超高頻單片收發通信芯片。它的工作頻帶在 315、868 與 915MHZ，但CC1000 很容易通過編程使其工作在 3001000MHz 圍。它具有低電壓(2.33.6V)，極低的功耗，可編程輸出功率(-2010dBm)，靈敏度(一般-109dBm)，小尺寸(TSSOP-28 封裝)，集成了位同步器等特點。其 FSK 數傳速率可達 72.8Kbps，具有 250HZ 步長可編程頻率能力，適用于跳頻協議:主要工作參數能通過串行總線接口編程改變，使用非常靈活。(2) nRF401 是挪威 Nordic VLSI 公司推出的單芯片即收發機，專為

38、在 433MHz IsM(工業、科研和醫療)頻段工作而設計。該芯片集成了高頻發射、高頻接收、PLL 合成、FSK 調制、FSK 解調、雙頻道切換等功能，具有性能優異、功耗低、使用方便等特點。nRF401 的外圍元件很少，僅 10 個左右。只包括一個 4MHZ 基準晶振(可與 MCU 共享)、一個 PLL 環路濾波器和一個 VCO 電感，收發天線合一，沒有調試部件，這給研制與生產帶來了極大的方便。(3) nRF903 單片射頻收發器芯片工作在 915MHZ(國際通用 ISM 頻段)，GMSK/GFSK調制和解調，抗干擾能力強;采用 DDS+PLL 頻率合成技術，頻率穩定性好；靈敏度高達-100d

39、Bm，最大發射功率達+10dBm；數據速率可達 76.8Kbits；170 個頻道，適合需要多信道工作的特殊場合；可方便地嵌入各種測量和控制系統中進行無線數據雙向傳輸，在儀器儀表數據采集系統、無線數據通信系統、計算機遙測遙控系統等中應用。(4) TH72011 是 Melexis 公司的單片射頻發射芯片，頻率圍為 380450MHz，采用VCO+PLL 頻率合成技術，頻率穩定性好；FSK 調制方式，抗干擾能力強；FSK 頻偏和中心頻率可獨立調節；寬電壓圍 1.9 5.5V，靜態電流小，工作電流可在 3.5mA10.7mA9 / 46調節;發射功率可在-12dBm +10dBm 調節，數據速率可

40、達 40Kbit/s。可嵌入各種測量和控制系統中進行無線數據傳輸，在保安系統、微功耗遙測遙控系統等中應用。(5) nRF24EI 是挪威 Nordic VLSI ASA 公司最近開發的一種嵌入了高性能單片機核的高速單片無線收發芯片。采用先進的 0.18us CMOS 工藝，以 nRF2401 芯片結構為基礎，將射頻、8051MCU、9 輸入 12 位 ADC、125 頻道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT 全部集成到單芯片中；部有電壓調節器(工作電壓 1.9 3.6V)和 VDD 電壓監視，通常開關時間小于 200us，數據速率 1Mbps，輸出功率 0dBm；不需要外接 SAW 濾波

41、器，極少的外圍電路，發射功率、工作頻率等所有工作參數全部通過軟件設置完成，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經全部集成在芯片部，一致性良好，性能穩定且不受外界影響;工作在全球開放的 2.4GHz 頻段、勿需申請通信許可證。(6) nRF905 芯片可以工作于 ShockBurst(自動處理前綴、地址和 CRC 方式)。置電壓調整模塊，最大限度地抑制噪音，為系統提供 1.93.6V 的工作電壓，載波檢測。由于 nRF905 功耗低，工作可靠 nRF905 沒有復雜的通信協議，完全對用戶透明，同種產品之間可以自由通信，因此很適用于無線數據傳輸系統的設計。它可應用在:無線數據通訊、報警和安全系統、自動

42、測試系統、家庭自動化控制、遙控裝置、監測、車輛安全系統、工業控制、遠程遙控與其它短距離無線高速應用，故本系統將 nRF905做為無線收發芯片的首選。2.3.2 溫度傳感器的選擇DS18B20 是美國 Dallas 半導體公司推出的一種智能溫度傳感器。與傳統的熱敏電阻相比，它能夠直接讀出被測溫度并且可根據實際要求通過簡單的編程實現 912 位的數字值讀數方式。可以分別在 93.75ms 和 750ms 完成 9 位和 12 位的數字量。它具有獨特的單總線接口方式，即允許在一條信號線上掛接數十甚至上百個數字式傳感器，從而使測溫裝置與各傳感器的接口變得十分簡單，克服了模擬式傳感器與微機接口時需要的

43、A/D 轉換器與其它復雜外圍電路的缺點，而且，可以通過總線供電，溫度變換功率來源于數據總線，總線本身也可以向所掛接的 DS18B20 供電，而無需額外電源，由它組成的溫度測控系統非常方便，而且成本低、體積小、可靠性高。DS18B20 的測溫圍-55+125，最高分辨率可達 0.0625，由于每一個 DS18B20 出廠時都刻有唯一的一個序列號并存入其 ROM 中，因此 CPU 可用簡單的通信協議就可以識別，從而節省了大量的引線和邏輯電路。Dallas 公司的單總線技術具有較高的性能價格比，有以下特點:(1) 適用于低速測控場合，測控對象越多越顯出其優越性。(2) 性價比高，硬件施工、維修方便，

44、抗干擾性能好。(3) 具有 CRC 校驗功能，可靠性高。(4) 軟件設計規，系統簡明直觀，易于掌握。 由于 DS18B20 占用 MCU 的 I/O 引腳資源少，和 MCU 的通信協議比較簡單，成本較低，傳輸距離遠，和其他數字溫度傳感器相比，它更適合本系統，所以，選用 DS18B20做為溫度測量的傳感器。2.3.3 主要器件的介紹(1)無線收發模塊 nRF905nRF905 是挪威 Nordic 公司推出的單射頻發射器芯片，工作電壓為 1.9 V -3.6V，32 引腳封裝（55） ，工作于 433/868/915MHz3 個頻道。nRF905 可以自動完成處理字頭和 CRC（循環冗余校驗）的

45、工作，可由部硬件自動完成曼徹斯特編/解，使用SPI 接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm 的輸出功率發射時電流只有 11mA，在接收模式時電流為 12.5mA。nRF905 單無線收發器工作由一個完全集成的頻率調制器，一個帶解調器的接收器，一個功率放大器，一個晶體震蕩器和一個調節器組成。ShockBurst 工作模式的特點是動產生前導和 CRC，可以很容易通過 SPI接口進行編程配置。傳輸前聽的載波檢測協議，當正確的數據包被接收或發送時有數據準備就緒信號輸出，偵測接收的數據包當地址正確輸出地址匹配信號。 (2) nRF905 工作模式nRF905 采用 Nordic

46、公司的 VLSI ShockBurst 技術。ShockBurst 技術使 nRF905 能夠提供高速的數據傳輸，而不需要昂貴的高速 MCU 來進行數據處理/時鐘覆蓋。通過將與 RF 協議有關的高速信號處理放到芯，nRF905 提供給應用的微控制器一個 SPI 接口，速率由微控制器己設定的接口速度決定。nRF905 通過 ShockBurst 工作模式在 RF 以最大速率進行連接時降低數字應用部分的速度來降低在應用中的平均電流消耗。在ShockBurst RX 模式中，地址匹配 AM 和數據準備就緒 DR 信號通知 MCU 一個有效的地址和數據包已經各接收完成。在 ShockBurst TX

47、模式中，nRF905 動產生前導和 CRC 校驗，數據準備就緒 DR 信號通知 MCU 數據傳輸已經完成。總之，這意味著降低 MCU 的存儲器需求也就是說降低 MCU 成本，又同時縮短軟件開發時間。11 / 46表 2-1 nRF905 的管腳說明表 管腳名稱管腳功能說明1TRX_CE數字輸入使能芯片發射或接收2PWR_UP數字輸入芯片上電3uPCLK時鐘輸出由晶振分頻的輸出時鐘4VDD電源電源（+3V DC）5VSS電源地（0V）6CD數字輸出載波檢測7AM數字輸出地址匹配8DR數字輸出接受或發射數據完成9VSS電源地（0V）10MISOSPI 接口SPI 輸出11MOSISPI 接口SPI

48、 輸入12SCKSPI 時鐘SPI 時鐘13CSNSPI 使能SPI 使能14XC1模擬輸入晶振 1 腳/外部時鐘輸入腳15XC2模擬輸出晶振 2 腳16VSS電源地（0V）17VDD電源電源（+3V DC）18VSS電源地（0V）19VDD_PA電源輸出給 NRF905 功放提供+1.8V 電源20ANT1射頻輸出天線接口 121ANT2射頻輸出天線接口 222VSS電源地（0V）23IREF模擬輸入參考電流24VSS電源地（0V）25VDD電源地（0V）26VSS電源地（0V）27VSS電源地（0V）28VSS電源地（0V）29VSS電源地（0V）30VSS電源地（0V）31DVSS_1V

49、2電源耦合的低壓正數字電源輸出32TX_EN數字輸入TX_EN= “1”TX 模式nRF905 有兩種工作模式（RX/TX）和兩種節電模式,活動模式為 ShockBurst RX 和 ShockBurst TX，節電模式為掉電和 SPI 編程與 Standby 和 SPI 編程。表 2-2 nRF905 的工作模式設置表PWR_UPTRX_CETX_EN工作模式0XX掉電和 SPI 編程10XStandby 和 SPI 編程110ShockBurst RX111ShockBurst TX1) 典型 ShockBurst TX 模式：a) 當應用 MCU 有遙控數據節點時，接收節點的地址 TX-

50、address 和有效數據 TX-payload 通過 SPI 接口傳送給 nRF905 應用協議或 MCU 設置接口速度；b) MCU 設置 TRX_CE、TX_EN 為高來活 nRF905 ShockBurst 傳輸；c) nRF905 ShockBurst：無線系統動上電、數據包完成（加前導和 CRC 校驗） 、數據包發送（100kbps，GFSK，曼切斯特編）d) 如果 AUTO_RETRAN 被設置為高 nRF905 將連續地發送數據包直到 TRX_CE 被設置為低；e) 當 TRX_CE 被設置為低時，nRF905 結束數據傳輸并動進入 standby 模式。2) 典型 Shock

51、Burst RX 模式a) 通過設置 TRX_CE 高，TX_EN 低來選擇 ShockBurst 模式；b) 650us 以后，nRF905 測空中的信息；c) 當 nRF905 發現和接收頻率一樣的載波時，載波檢測 CD 被置高；d) 當 nRF905 接收到有效的地址時，地址匹配 AM 被置高；e) 當 nRF905 接收到有效的數據包（CRC 校驗正確）時，nRF905 去掉前導、地址和 CRC 位，數據準備就緒（DR）被置高；f) MCU 設置 TRX_CE 低，進入 standby 模式低電流模式；g) MCU 可以以合適的速率通過 SPI 接口讀出有效數據；h) 當所有的有效數據

52、被讀出后，nRF905 將 AM 和 DR 置低；i) nRF905 將準備進入 ShockBurst RX、ShockBurst TX 或 Powerdown 模式。3) 掉電模式在掉電模式中，nRF905 被止，電流消耗最小，典型值低于 2.5uA。當進入這種模式時，nRF905 是不活動的狀態。這時候平均電流消耗最小，電池使用壽命最長。在掉電模式中，配置字的容保持不變。4) STANDBY 模式13 / 46Standby 模式在保持電流消耗最小的同時保證最短的ShockBurstRX、ShockBurstTX 的啟動時間。當進入這種模式時，一部分晶體振蕩器是活動的。電流消耗取決于晶體振

53、蕩器頻率，如：當頻率為 4MHZ 時，IDD=12uA；當頻率為 20MHZ 時，IDD=46uA。如果 uPCLK（Pin3）被使能，電流消耗將增加。并且取決于負載電容和頻率。在此模式中，配置字的容保持不變。5) 器件配置nRF905 的所有配置都通過 SPI 接口進行。SPI 接口由 5 個寄存器組成，一條 SPI指令用來決定進行什么操作。SPI 接口只有在掉電模式和 Standby 模式是激活的。a) 狀態寄存器（Status-Register）：寄存器包含數據就緒 DR 和地址匹配 AM 狀態。b) RF 配置寄存器（RF-Configuration Register）：寄存器包含收發

54、器的頻率、輸出功率等配置信息。c) 發送地址（TX-Address）：寄存器包含目標器件地址，字節長度由配置寄存器設置。d) 發送有效數據（TX-Payload）：寄存器包含發送的有效 ShockBurst 數據包數據，字節長度由配置寄存器設置。e) 接收有效數據（TX-Payload）：寄存器包含接收到的有效 ShockBurst 數據包數據，字節長度由配置寄存器設置。在寄存器中的有效數據由數據準備就緒 DR 指示。6) SPI 指令設置用于 SPI 接口的有用命令指令見下表，當 CSN 為低時，SPI 接口開始等待一條指令，任何一條新指令均由 CSN 的又高到低的轉換開始。表 2-3 SP

55、I 串行接口命令指令設置表圖 2-1 SPI 讀操作圖 2-2 SPI 寫操作15 / 46表 2-4 RF 配置寄存器參數位寬說明CH_NO9同 HFREQ_PLL 一起設置中心頻率（默認值=180d）FRF=（422.4+CH-Nod/10）*(1+HFREQ-PLLd)MHZHFREQ_PLL1“0”_器件工作在 433MHZ 頻段“1”_器件工作在 868/915MHZ 頻段PA_PWR2輸出功率（默認=00）“00” -10dBm“01” -2dBm“10” +6dBm“11” +10dBmRX_RED_PWR1“0” _正常模式“1” _低功耗模式AUTO_RETRAN1重發數據“

56、0” _不重發數據“1” _重發數據包RX_AWF3RX 地址寬度(默認值=100)001_1 字節 RX 地址寬度100_4 字節 RX 地址寬度TX_AWF3TX 地址寬度(默認值=100)001_1 字節 TX 地址寬度100_4 字節 TX 地址寬度RX_PW6RX 接收有效數據寬度（默認值=100000）“000001”-1 字節 RX 有效數據寬度“000010”-2 字節 RX 有效數據寬度“100000”-32 字節 RX 有效數據寬度TX_PW6TX 接收有效數據寬度（默認值=100000）“000001”-1 字節 TX 有效數據寬度“000010”-2 字節 TX 有效數

57、據寬度“100000”-32 字節 TX 有效數據寬度RX_ADDRESS32RX 地址UP_CLK_FREQ2“00” -4MHZ“01” -2MHZ“10” -1MHZ“11” 500KHZXOF3晶體振蕩頻率“000” _4MHZ“001” _8MHZ“010” _12MHZ“011” _16MHZ“100” _20MHZCRC_EN1“0” _不允許“1” _允許CRC_MODE1“0” _8 位 CRC 校驗位“1” _16 位 CRC 校驗位UP_CLK_EN1“0” _沒有外部時鐘“1” _外部時鐘信號使能7) 接口a) 模式控制接口：該接口由 PWR 、TRX_CE、TX_EN

58、 組成控制由 nRF905 組成的高頻頭的四種工作模式：掉電和 SPI 編程模式；待機和 SPI 編程模式 ；發射模式；接收模式。b) SPI 接口：SPI 接口由 CSN、SCK、MOSI 以與 MISO 組成。在配置模式下單機通過 SPI 接口配置高頻頭的工作參數；在發射/接收模式下單機 SPI 接口發送和接收數據。c) 狀態輸出接口：提供載波檢測輸出 CD，地址匹配輸出 AM，數據就緒輸出 DR。8) NRF905 的特點a) 載波檢測當 NRF905 工作在接受模式時，如果有與器件被編程通道一樣的載波出現，載波引腳（CD）被置高，這一特征對于避免工作在一樣頻率的不同發射機的數據碰撞非常

59、有效，任何時候當器件準備發射送數據時，應先進入接收受模式，判斷是否希望的通道輸出可以數據，這就是發射前先監聽的協議。b) 地址匹配當 NRF905 工作在接受模式時，引入的數據包的地址與器件自身地址一樣時，地址匹配引腳（AM）被置高，使用這個引腳控制被指示在數據準備就緒（DR）信號置高前，器件正在接收數據，如果數據準備就緒（DR）信號沒有置高，例如 CRC 校驗錯誤，地址匹配引腳（AM）在數據包接收結束時復位置低，這一特征對 MCU 特別有用。如果地址匹配引腳（AM）被置高，MCU 可以決定等待，觀察如果數據準備就緒（DR）信號被沒17 / 46有置高，說明一個有效地數據包已經接收，或者放棄一

60、個可能已經接收受的有效數據包并改變工作模式。c) 數據準備就緒數據準備就緒（DR）信號使最大限度地降低軟件編程的復雜性成為可能。在發送模式時，一個完整的數據包發送結束時 DR 置高，告訴 MCU NRF905 已經準備好新動作，DR 信號在數據包傳輸開始時或轉換為其他模式，如接收模式或 Standby模式時復位置低。在自動重發模式時，DR 信號在前導碼的開始時置高，在前導碼的結束開始時置低，數據準備就緒（DR）信號在每次數據包傳輸的開始時產生脈沖。在接收模式時，DR 信號在接收有效數據包，如：有效地址，有效地數據長度和CRC 時置高，然后 MCU 可以通過 SPI 接口讀取數據，當數據緩沖區中