基于nRF401的PC机无线收发模块的设计

    摘要：介绍了基于nRF401无线收发芯片的PC机串口通信模块和PC机ISA插槽通信模块的设计思路实现方案。通过该两种模块可以方便地实现PC机数字信号的载频传播，使计算机之间的无线数据传输成为可能。

    关键词：无线收发 nRF401 串口 ISA ActiveX

很多PC机应用系统需要增加无线数据传输功能。本文基于挪威NORDIC公司最新推出的单片无线收发一体芯片nRF401，设计出两种无线通信模块：具有标准RS232C接口的串行模块和具有标准PC机ISA总线插槽的通信模块。系统由基于nRF401的高频头（UFH）和连接PC机的接收适配器（ADAPTER）两部分组成。

1 高频头设计

1.1 主芯片nRF401简介

nRF401是工作于ISM频段（433MHz）的单片机无线收发一体芯片。它是目前集成度量高的无线数传产品，20脚双列直插封装。NRF401内部结构如图1所示，其中包含高频接收/发射、PLL合成、FSK调制/解调和双频切换等单元。

该芯片有如下特点：FSK[5]频移键控（Frquency-ShiftKeying）调制方式，直接数据输入输出，抗干扰能力强，特别适合工业场合；采用DSS+PLL频率合成技术，频率稳定性极好；灵敏度高，达到-105dBm；无需曼彻斯特编码；工作速率最高可达20kbit/s；最大发射功率达+10dBm，开阔地的使用距离最远可达1000m；工作在ISM频率433MHz和双信道频率433.92MHz/434.33MHz，使用不需要申请许可证。

1.2 考虑到相互干扰，在本系统中，高频头单独做成一块PCB板。

压控振荡器（VCO）外接22mH高品质因素电感；锁相环（PLL）外典型单端二阶段滤波器；振荡源输入接4MHz晶振；天线设计采用环形差分天线。和通信模块接口的电路采用四脚端口连接。其中，TXEN为发送使能，接低PCB板上的跳线。当接高电平时表明发送模式，反之为接收模式；CS为频率选择，也接PCB跳线，由高低电平选择所使用的频率；PWN_UP为节电模式选择，采用同样处理方式；ANT1/ANT2为天线接口。这样，高频头仅以DOUT、DIN、GND和VCC与通信模块构成接口，使系统调试非常方便。

2 通信适配器的设计

考虑到PC机应用的具体情况，本文提出了基于标准RS232C端口和基于ISA总线的两种设计思路。为防止高频电路对通信适配模块的干扰，两种情况下，通信适配器均单独设计PCB电路板。

2.1 RS232方案

2.1.1 硬件实现

RS232方案如图2所示，采用51系列芯片8052作为主控芯片，外加一片USART8251扩展8052的串行口，使之与PC机和高频头两端都具有通信的能力。其中，8251的RXRDY和TXRDY可以用一片或门相连接至8052的INT0端口（中断方式）或浮点（查询方式）。

系统时钟采用7.3728MHz的石英晶振，由8252的ALE、WR、RD组合产生1.2288MHz的脉冲信号，该信号作为8251的CLK时钟信号，同时利用一片可编程定时/计数器8253进行64分频以产生8251的收发时钟。

    在接收板端，高频头接收来自发送高频头的FSK调制电磁波，经过接口送到适配器的8052引脚RXD。运行于查询方式时，系统程序把数据从8052的TXD端向PC机传送，完成一次数据传输；在中断方式时，8251接收到数据后会激活系统中断服务例程完成同样的操作。发送板端与此类似，只不过经由8052的RXD、8251的TXD直接从高频头发送出去。

在电路图中，8052的P27用来产生8251的片选信号，P26接8253的WR以产生写入数据或命令字的片选信号。本系统编址如下：8251的命令状态端口C=7FFFH，数据端口D=7FFEH，8253的工作方式控制字口为BFF3H，通道1地址为BFF0H。

串行端口RXD/TXD与PC机串口连接时，选用一片MAXIM232芯片作TTL/RS232逻辑电平转换，如图3所示。

2.1.2 软件及配置

为平衡PC机端和8251端通讯的波特率，统一采用1200bps，设置如下：

可编程定时/计数器8253工作于方式3，即方波发生器方式。工作方式控制字写入36H，采用二进制计数；为达到64分频的目的，在通道1写入40H。

通用同步/异步接收/发送器USART8251工作于异步方式，波特率1200bps，字符长度8位，一个停止位。考虑到系统的低波特率应该能满足传输的可靠性，故不设校验位。方式控制字为4EH，命令指令为15H。

在8051自身串口设置中，采用方式1即9位UART，以T1作为收发时钟。为满足1200bps的传输波特率，经计算得：T1编程为方式2定时状态，即可重载方式，计数常数为查询方式通信适配器流程图如图4所示。

2.2 ISA方案

在应用系统设计中，ISA总线由于其技术的成熟性而被广泛应用。下面简单介绍本系统的ISA方案。

在该方案中，微型计算机作为系统中央处理设备，扩展一块UART8251使之具有串口通信的能力；74LS138用于不完整全地址译码，译码逻辑电路如图5所示；为避免对ISA总线操作造成影响，加了两片三态门电路74LS245进行总线隔离；在本系统中，去除了8952，仅使用一片USART8251和一片可编程定时/计数器8253，如图5和图6所示。

74LS138的输出脚y0同时选通8251的CS片选引脚和总线隔离芯片74LS245的G脚；由于74LS245固有的选通逻辑，使用ISA总线的IOR选通该三态门的DIR端；74LS138的y7脚同时选通8253的WR和另一片74LS245的G端；8251的命令数据脚C/D接ISA总线的A0，8253的A0、A1脚接ISA总线的A0、A1。8253的输出通道0和通道1设定8251的收发时钟TXC/RXC和系统时钟CLK。

3 PC端通信软件设计

3.1 用8086汇编语言或C语言编制

传统方式的PC端涉及的通信软件一般采用8086汇编语言或C语言提供的端口读写语句来实现，在本系统设计中，也可以这样做。

PC机读写串口其实就是对机内UART8251的操作。在本系统中，为达到1200bps的通信波特率，可对相关寄存器作如下设置：首先在线控制寄存器设置通信波特率，低位端口3F8H设置为60H，高位端口3F9H设置为00H；然后采用查询方式编制软件，先在线状态寄存器查询相关位，再作端口操作。

对ISA总线的访问也是通过端口来操作的，例如在上述译码方案中，端口分配如下：8251命令状态端口为331H，数据端口为330H；8253的通道0为33CH，通道1为33DH，命令口为33FH。只需使用IN或OUT指令进行操作。

3.2 在可视化环境下操作

微软的可视化平台VB、VC可以很方便地完成上述操作。下面简述在VC中使用ActiveX控件开发PC串行通信程序。

    在实际应用中，主要使用MSComm(MircosoftCommunicationControl)控件，它提供了事件驱动和查询两种方案。在事件驱动法中，每当有新字符到达端品，MSComm控件将触发OnComm事件。这样，应用程序坷通过检查MSComm控件的CommEvent属性采取相应的操作，它类似于汇编语言中的中断方式；较小的应用程序可以有采用查询法，也就是应用程序不断检查MSComm的CommEvent属性并采取相应操作，它类似于汇编中的查询法。