基于的单片机的无线遥控器设计

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嵌入式基地 2024-07-29 10:22:07 博主文章分类：毕业设计 ©著作权

文章标签 单片机嵌入式硬件数据引脚寄存器 文章分类 Html/CSS 前端开发

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一、总体概述：
本系统有六大部分组成分PS/2电脑键盘控制部分、双单片机控制部分、无线数字收发部分、摄相头采集部分、高频放大发射部分、电视观察接收信号图像部分。
二、题目分析及方案论证：
本题中要求发射大于10米，且多通道。所以可采用高频无线数字收发模块。如NRF 系列数字收发模块。可选用单片机给数字模块进行控制和配置寄存器，及用SPI给数字模块发送数据。
1 、NRF系列数字收发模块选择方案论证
1.1 NRF401可以达到题目要求
所设计的无线数传模块由单片射频收发芯片nRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片构成，工作在433.92／434.33MHz频段；
nRF401是北欧集成电路公司（NORDIC）的产品，是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片，满足欧洲电信工业标准（ETSI）EN300 200-1 V1.2.1。它采用FSK调制解调技术，最高工作速率可以达到20K，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。nRF401的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。它要求非常少的外围元件（约10个），无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一。无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，有两个工作频宽（433.92/434.33MHz）,工作电压范围可以从2.7-5V，还具有待机模式，可以更省电和高效。

nRF401无线收发芯片的结构框图如图1所示：内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。发射电路包含有：射频功率放大器、锁相环（PLL），压控振荡器（VCO），频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器，产生电路所需的基准频率。

其主要特性如下:
●工作频率为国际通用的数传频段
●FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；
●采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好；
●灵敏度高，达到-105dBm（nRF401）；
●功耗小，接收状态250 A，待机状态仅为8 A（nRF401）；
●最大发射功率达 +10dBm ；
●低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备的要求；
●具有多个频道，可方便地切换工作频率；
●工作速率最高可达20Kbit/s（RF401）；
●仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试；
●因采用了低发射功率、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 (与具体使用环境及元件参数有关)。
TX与RX之间的切换

当从RX切换到TX模式时,数据输入脚(DIN)必须保持为高至少1ms才能收发数据。当从TX切换到RX时，数据输出脚（DOUT）要至少3ms以后有数据输出。

Standby与RX之间的切换

从待机模式到接收模式，当PWR_UP输入设成1时，经过tSR时间后,DOUT脚输出数据才有效。对 nRF401来说，tST最长的时间是3ms。
从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是tST。

Power Up与TX间的切换

从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时，TXEN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据。

从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据，DOUT也不会有数据输出，直到电压稳定达到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振荡器，这个时间可以缩短到3ms。

在实际应用中，微控制器采用Atmel公司的AT89C52，分别用单片机的P1口各管脚控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS这五个脚即可。
接口芯片采用美信公司的RS232转换芯片MAX3316，完成单片机和计算机RS232接口的电平转换及数据发送、接收、请求、清除功能。在nRF401芯片使用时，设定好工作频率，进入正常工作状态后，通过单片机根据需要进行收发转换控制，发送／接收数据或进行状态转换。在设计程序时，要注意各状态转换的时延。nRF401的通讯速率最高为20kbit/s，发送数据之前需将电路置于发射模式；接收模式转换为发射模式的转换时间至少为1ms；可以发送任意长度的数据；发射模式转换为接收模式的转换时间至少为3ms。在待机模式时，电路进入待机状态，电路不接收和发射数据。待机模式转换为发射模式的转换时间至少为4ms；待机模式转换为接收模式的转换时间至少为5.0ms。这里给出系统和程序的工作流程图

1.2 单片射频收发器nRF905也可达到要求
nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9～3.6V，32引脚QFN封装(5由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器， ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。NRF905比NRF401先进多了。能充分满足题目要求。

芯片结构、引脚介绍及工作模式

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的详细结构如图1所示。
2.2引脚介绍表1：nRF905引脚

2.1ShockBurstTM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ShockBurstTM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ShockBurstTM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ShockBurstTM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ShockBurstTM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间。下面具体详细分析nRF905的发送流程和接收流程

2.2发送流程
典型的nRF905发送流程分以下几步：
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ShockBurstTM发送模式；
C. nRF905的ShockBurstTM发送：
l 数据打包(加字头和CRC校验码)；
2 发送数据包；
3 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；
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。
2.3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模式。

2.4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。

2.5 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。
2.6SPI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。
2.7射频配置
射频配置寄存器和内容如表3所示：

基于的单片机的无线遥控器设计_引脚