兼容RS-232的点对点无线接口设计(图)

兼容RS-232的点对点无线接口设计(图)

  
本文设计了基于RF芯片nRF2401的兼容RS-232的无线数传模块，给出了系统的硬件电路及相关软件设计的解决方案。
前言
随着通信、信息技术和微电子技术的飞速发展，短距离无线通信的应用步伐不断加快。在短距离无线数据通信中，目前最为成熟的三个标准是：Bluetooth, 802.11(Wi_Fi)和IrDA。RFID和UWB凭借其独有的特点成为短距离无线数据传输技术的后起之秀。

RS-232接口标准是一种广泛的普及标准，但此标准推出较早，在现代金融、保险、电信和电子化网络中已暴露出明显的问题：信号线易受外界干扰；RS-232采取不平衡传输方式，其共模抑制能力差，再加上双绞线上的分布电容，其传送距离最大约为15m。由于上述问题的存在，导致RS-232串口数据线对电压浪涌特别敏感。目前，非交流电源线路的浪涌所引起的损害占据全部浪涌损害的一大部分。其后果是：硬件损坏、数据丢失、通信中断以及由此引起停机。

为了改进RS-232通信距离短、易受外界干扰的缺点和满足PC系统需要增加无线数据传输功能的需要，设计了基于RF芯片nRF2401的兼容RS232的无线数传模块。
 
系统设计
nRF2401采用 5mm×5mm的24引脚QFN封装，具有突发传递和直接传递两种工作模式。突发传递模式以低速率向nRF2401写入待发数据，以高速率无线传输，尽量降低功耗。直接传递模式与传统RF器件工作模式一致。

图1 TTL/ RS232的逻辑电平转换电路

nRF2401的主要特点：
● 全球开放的2.4GHz频段，125个频道，满足多频及跳频需要。
● 高速率( 1Mb/s)，优于蓝牙技术。 
● 外围元件极少，电压范围为1.9～3.6V，电流消耗很小，功耗很低。
● 发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置。
● 芯片内部设有专门的稳压电路，且无须外部SAW滤波器。
● 独特设计：采用DuoCeiver 技术可同时接收两个nRF2401的数据。
● 可通过软件设置最多40位地址，且只有收到本机地址时才会输出数据。
● 内置CRC校验硬件电路和协议，有数据时隙和数据时钟恢复功能。

1 nRF2401的高频头设计
nRF2401芯片以及其外围元件电路组成了发送接收模块。考虑到电磁兼容性，nRF2401的应用电路单独做成一块PCB。高频模块使用双层PCB，PCB设计中大量使用过孔，使顶层和底层的地充分接触，PCB的空余部分大面积连续接地。

图2 MCU与nRF2401的直连方式

2 接口电路设计
RS232信号在正负电平之间摆动。发送数据时，发送端驱动器输出正电平在+5～+15V，负电平在-5～-15V。从开始传送数据到结束，线上电平从TTL电平到RS-232电平再返回TTL电平。接收器典型的工作电平在+3～+12V与-3～-12V。选用芯片作TTL/ RS232的逻辑电平转换。图1为TTL/ RS232逻辑电平转换的原理图电路。其中C16、C20使用1uF独石电容，C17、C19使用0.1μF独石电容。


MCU与nRF2401的连接采用I/O口直接连接方式。原理图如图2所示。连接电路中采用电阻分压网络来实现与 nRF2401的数据交互。

3 软件设计
nRF2401的ShockBurstTM RX/TX模式采用片上 FIFO来进行低数据率的时钟同步和高数据率的传输，因此极大地降低了功耗。ShockBurstTM发射主要通过MCU接口引脚CE、CLK1和DATA来完成。当MCU请求发送数据时，置CE为高电平，此时的接收机地址和有效载荷数据作为nRF2401的内部时钟，可用请求协议或MCU将速率调至1Mb/s；置CE为低电平可激活ShockBurstTM发射。nRF2401在突发模式下的帧格式如表1所示。

图3 程序流程图

程序流程图如图3所示。
nRF2401具有144位状态字。控制器将nRF2401设置为配置方式，然后由通道1向nRF2401写入状态字的配置值，写时高位在前。配置方式下控制器写状态字的过程与激活方式下向nRF2401写入数据的过程完全相同，都经由CLK、DR和DATA组成的三线接口完成。

在配置模式下，将nRF2401配置为ShockBurstTM收发模式，该模式下使nRF2401能够处理射频协议，在配置完成后，在nRF2401工作过程中，只需改变其最低一字节中的内容，以实现接收模式和发送模式的转换。ShockBurstTM的配置字由数据宽度、地址宽度、地址和CRC四部分组成。

程序中对状态字后的120位进行配置,其值为0x20 4000 DDDDDD DD 00CC CCCC CC83 6E05。配置后nRF2401的通道1数据段长度为8字节，地址段长度为32位，通道1硬件地址为0x CCCCCCCC，使能16位CRC校验，单通道接收，工作于突发传递模式下，通信速率为1Mb/s，晶振频率为16MHz,输出功率-5dbm，工作频段为2402MHz。

①发送、接收数据的程序设计
   void ShockBurstTrans(){
  unsigned char ByteNum;
  MODE_RT; 
  Delay202();
  for(ByteNum=0;ByteNum<14;ByteNum++)
   WriteTo2401(TXData[i]);
  CE=0; 
  DATA=0; 
   }
   数据接收设置为中断服务程序方式。中断服务程序如下：
   void ReceiveShock（）interrupt 0 using 3{
   unsigned char ByteNum;
   DATA=1;
   for(ByteNum=0;
ByteNum<8;ByteNum++)
    RXData[ByteNum]=ReadFrom2401();
   }
② 串行口程序设计
采用中断方式进行串口管理。串行通信中对数据流的处理采用突发处理方式。针对RAM空间有限的情况，利用软件模拟FIFO寄存器结构。
串口的接收和发送工作是相对独立的，构建两个环形缓冲区来实现具有FIFO功能的缓冲区队列。每一个环形缓冲区都对应有写入(Ptr_Wr)和读出(Ptr_ Rd)两个指针，从写指针到读指针之间的相对区域存储的是待发送或已接收的数据，两个指针的前后次序通过标志位(bFlag_Order)判别，当它们的位置重合时则表示没有有效数据。读写指针相对位置与存储的数据之间的关系如图4所示。阴影部分表示有效数据。

图4 读写指针相对位置与存储数据之间的关系示意图

     
结论
随着Internet的飞速发展，从WAN到MAN，再到LAN、PAN，这些技术已逐渐成熟。无线网络在各类网络中最具增长潜力。由于各种无线标准自身的技术也有待于不断完善和提高，无线技术的应用还有很大的市场空间。

nRF2401是一款性价比很高的单片无线收发芯片，利用和nRF2401芯片设计的无线数据传输系统，成本低，体积小，应用灵活，具有良好的通用性和可靠性。\通过调试结果表明，nRF2401芯片可以与微控制器连接实现无线数据通信，进而实现了PC之间的无线通信，并且通信质量可靠稳定。

    本文可能所用到的IC型号：