基于nRF905的LED屏無線通信設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：針對采用芯片nRF905的LED屏無線通信，分別給出了上位機(jī)和下位機(jī)的系統(tǒng)框圖，分析系統(tǒng)的功耗，比較無線模塊和串口通信的通信速率，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，設(shè)計(jì)串口通信協(xié)議。為保證數(shù)據(jù)質(zhì)量，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)通信協(xié)議，針對串口數(shù)據(jù)的nRF905分包轉(zhuǎn)發(fā)，設(shè)計(jì)了無線芯片通信協(xié)議。例舉了狀態(tài)機(jī)的5種狀態(tài)，介紹狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換條件，巧妙地編程設(shè)計(jì)了通信數(shù)據(jù)的定時(shí)器檢查，論述了基于狀態(tài)機(jī)的嵌入式單片機(jī)軟件編程。
關(guān)鍵詞：nRF905；單片機(jī)ATmega16A；可行性分析；狀態(tài)機(jī)

現(xiàn)行市場上的LED屏，多采用異步串口、TCP／IP接口等有線和GPRS無線進(jìn)行通信。對于裝修計(jì)劃中的LED屏，即使提前布線或預(yù)留線纜空間，在線纜損壞或調(diào)試LED屏還是有諸多不利條件。技術(shù)成熟的GPRS無線模塊，價(jià)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(tǒng)中的功耗估計(jì)、速率適配、串口與無線的通信協(xié)議設(shè)計(jì)和嵌入式單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制串口的無線通信。

1 硬件設(shè)計(jì)
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(jī)框圖，電路板上的單片機(jī)收到計(jì)算機(jī)發(fā)來的控制數(shù)據(jù)，通過無線模塊轉(zhuǎn)發(fā)。圖2為下位機(jī)框圖，單片機(jī)將無線模塊收到的數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)給LED屏的電路控制板。LED屏回復(fù)數(shù)據(jù)的傳輸方向正好相反。

采用ProtelDXP繪制電路原理圖和雙面PCB板，使用JTAG mk II在AVR Studi04下編寫基于單片機(jī)的嵌入式軟件，采用GCC編譯器進(jìn)行編譯連接。
1．2 電路設(shè)計(jì)
(1)單片機(jī)ATmega16A
采用芯片LM1117將DC 9 V穩(wěn)壓到DC 3．3 V，對單片機(jī)ATmega16A、芯片nRF905、芯片MAX3232進(jìn)行供電。串口通信采用芯片MAX3232進(jìn)行邏輯電平的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmega16A單片機(jī)。該單片機(jī)具有16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH、512 B的E2PROM和1 KB的SRAM，供嵌入式軟件使用；在線調(diào)試的JTAG端口，豐富了系統(tǒng)的調(diào)試手段；獨(dú)立的定時(shí)器和可編程的串口，加強(qiáng)了系統(tǒng)的功能。單片機(jī)ATmega16A上的SPI接口，可保證無線芯片nRF905的無縫連接。
(2)無線芯片nRF905
NORDIC公司的無線芯片nRF905采用高效的GFSK調(diào)制，使用開放的ISM頻段，工作速率可達(dá)50 Kb／s，收發(fā)模式切換時(shí)間短，功耗低，內(nèi)置硬件CRC校驗(yàn)和點(diǎn)對多點(diǎn)的通信地址控制，這些優(yōu)點(diǎn)特別適合工業(yè)控制場合。
1．3 可行性分析
1．3．1 通信速率
nRF905無線收發(fā)芯片的最高工作速率50 Kb／s。PC機(jī)端的控制軟件可以設(shè)置串口的工作速率，典型波特率設(shè)置為9 600 b／s或115 200 b／s。串口的波特率的每個(gè)字節(jié)加上起始位、停止位和奇偶校驗(yàn)位，經(jīng)計(jì)算，串口工作速率小于無線芯片的工作速率，因此，可以采用無線芯片nRF905轉(zhuǎn)發(fā)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行通信。
1．3．2 功耗估計(jì)
(1)單片機(jī)ATmega16A的耗散功率條件：溫度，25℃；單片機(jī)工作晶振：1 MHz；工作電壓，3．3 V。
激活模式：功率P=0．6×3．3=1．95 mW
空閑模式：功率P=0．2×3．3=0．66 mW。
(2)芯片MAX232的耗散功率工作電壓：V=3．3 V。
最大工作電流：I=1 mA。
典型工作電流：I=0．3 mA。
則最大功耗：P=VI=3．3 mW。
典型功耗：P=W=0．99 mW。