基于nRF905的LED屏无线通信设计与实现

摘要：针对采用芯片nRF905的LED屏无线通信，分别给出了上位机和下位机的系统框图，分析系统的功耗，比较无线模块和串口通信的通信速率，验证系统的可行性，设计串口通信协议。为保证数据质量，设计了数据通信协议，针对串口数据的nRF905分包转发，设计了无线芯片通信协议。例举了状态机的5种状态，介绍状态间的转换条件，巧妙地编程设计了通信数据的定时器检查，论述了基于状态机的嵌入式单片机软件编程。
关键词：nRF905；单片机ATmega16A；可行性分析；状态机

    现行市场上的LED屏，多采用异步串口、TCP／IP接口等有线和GPRS无线进行通信。对于装修计划中的LED屏，即使提前布线或预留线缆空间，在线缆损坏或调试LED屏还是有诸多不利条件。技术成熟的GPRS无线模块，价格昂贵，不适用于大众场合。针对普遍使用的串口通信控制的LED屏，本文介绍了采用nRF905芯片为核心的硬件电路，论述了无线通信系统中的功耗估计、速率适配、串口与无线的通信协议设计和嵌入式单片机的软件设计，实现单片机控制串口的无线通信。

1 硬件设计
1．1 硬件总体框图
    硬件框图如图1和图2所示。图1为上位机框图，电路板上的单片机收到计算机发来的控制数据，通过无线模块转发。图2为下位机框图，单片机将无线模块收到的数据，通过串口发给LED屏的电路控制板。LED屏回复数据的传输方向正好相反。

    采用ProtelDXP绘制电路原理图和双面PCB板，使用JTAG mk II在AVR Studi04下编写基于单片机的嵌入式软件，采用GCC编译器进行编译连接。
1．2 电路设计
    (1)单片机ATmega16A
    采用芯片LM1117将DC 9 V稳压到DC 3．3 V，对单片机ATmega16A、芯片nRF905、芯片MAX3232进行供电。串口通信采用芯片MAX3232进行逻辑电平的转换。系统采用高性能、低功耗的8位AVR微处理器ATmega16A单片机。该单片机具有16 KB的系统内可编程FLASH、512 B的E2PROM和1 KB的SRAM，供嵌入式软件使用；在线调试的JTAG端口，丰富了系统的调试手段；独立的定时器和可编程的串口，加强了系统的功能。单片机ATmega16A上的SPI接口，可保证无线芯片nRF905的无缝连接。
    (2)无线芯片nRF905
    NORDIC公司的无线芯片nRF905采用高效的GFSK调制，使用开放的ISM频段，工作速率可达50 Kb／s，收发模式切换时间短，功耗低，内置硬件CRC校验和点对多点的通信地址控制，这些优点特别适合工业控制场合。
1．3 可行性分析
1．3．1 通信速率
    nRF905无线收发芯片的最高工作速率50 Kb／s。PC机端的控制软件可以设置串口的工作速率，典型波特率设置为9 600 b／s或115 200 b／s。串口的波特率的每个字节加上起始位、停止位和奇偶校验位，经计算，串口工作速率小于无线芯片的工作速率，因此，可以采用无线芯片nRF905转发串口数据进行通信。
1．3．2 功耗估计
    (1)单片机ATmega16A的耗散功率条件：温度，25℃；单片机工作晶振：1 MHz；工作电压，3．3 V。
    激活模式：功率P=0．6×3．3=1．95 mW
    空闲模式：功率P=0．2×3．3=0．66 mW。
    (2)芯片MAX232的耗散功率工作电压：V=3．3 V。
    最大工作电流：I=1 mA。
    典型工作电流：I=0．3 mA。
    则最大功耗：P=VI=3．3 mW。
    典型功耗：P=W=0．99 mW。
    (3)无线模块的功率计算
    发送模式的功耗：P=30×3．3=99 mW。
    接收模式的功耗：P=12．2×3．3≈41 mW。
    (4)稳压芯片LM 1117的耗散功率
    输入电压：Vin=9 V。
    输出电压：Vout=3．3 V。
    系统工作电流I=(0．6+1+30)=31．6 mA。
    则功耗P=(Vin-Vout)×I=180．12 mW。
    (5)总功率的计算
    系统最大功耗：
    P=180．12+1．95+3．3+99=284．37 mW
    经功耗估计，系统功耗较小，因此可以使用DC 9V电池供电。设计系统的供电方式为电池和外部DC 9V电源，通过跳线切换。
1．4 电路板布局
    实现无线通信的系统电路板布局如图3所示。

2 软件设计
2．1 通信协议
    (1)串口通信协议。设计串口通信协议：1位起始位，8位数据位，“空格”校验位，1位停止位。
    (2)数据通信协议。设计串口发送数据的通信协议：串口发送数据的第1个和第2个字节是0xF6、0x5A，作为包头，第3个字节和第4个字节为数据长度的一半，数据最后的2个字节为校验字节。LED屏控制卡回复数据为4个字节，第1个字节和第2个字节为为发送数据的前2个字节，后2个字节为发送数据的最后2个字。
    (3)无线收发数据协议。无线通信的数据采取分包发送的机制。无线通信协议设计如下：第1个字节为包头0xF6，第2个字节为数据的长度，该字节的首位置1，此包数据为最后一包，该字节的首位置0，此包数据非最后一包。由于无线芯片一包最大发送或接收字节数32 B，所以最大数据包长度为30 B。大于30 B的数据，将分包发送。
2．2 芯片nRF905工作原理
    (1)芯片nRF905的管脚及管脚功能如表1所示。

    (2)芯片nRF905的工作模式
    芯片nRF905共有4种工作模式：活动模式有ShockBurst RX(接收模式)和ShockBurst TX(发送模式)；节电模式有掉电模式和SPI编程模式或STANDBY(空闲模式)和SPI编程模式。芯片nRF905的工作模式由TX_EN，TRX_CE，PWR_UP的设置来设定，如表2所示。
2．3 基于状态机的嵌入式软件设计
2．3．1 系统初始化
    系统初始化主要包括：端口、串口、SPI总线、无线芯片、定时器和链表。状态机的初始化包括：初始状态、各个状态的初始条件等。根据数据发送和接收的流程，设计状态机的5种状态：待机状态ST_STAND_BY；串口接收状态(PC端)ST_UART_RECV；无线接收状态(LED屏端)ST_WAVE_RECV；串口等待状态(LED屏端)ST_UART_WAIT；无线等待状态(PC端)ST_WAVE_WAIT。
2．3．2 状态机的状态触发与转换
    上位机在中断中接收PC机发送的控制数据，存储在循环链表中，通过无线芯片分包发送；上位机查询无线芯片接收回复数据，通过串口发给PC机上的控制软件；上位机状态触发与转换关系如图4所示。下位机查询接收无线模块发送的数据，通过串口转发给LED屏控制卡；LED屏控制卡的回复数据，下位机在中断中接收，通过无线发送；下位机状态触发与转换关系如图5所示。图4和图5共同完成1次数据应答。

2．3．3 定时器的数据收发检测
    (1)串口接收数据完的检测。串口的数据接收是在中断中完成的，因此在中断中对定时器置数，中断外面减数。波特率为9 600b／s时，中断间隔小于1 ms。设置定时器的时长1．5 ms，如果超过此时长，则意味着串口数据接收完成。
    (2)无线发送接收数据的检测。嵌入式程序中多处用到无线收发数据的定时器检测，根据应用场合，选择定时器的时长。

3 结语
    本文对采用芯片nRF905进行LED屏的无线通信进行了论证，从通信速率和功耗两个方面分析了技术可行性，设计了串口通信协议、数据包协议和无线通信协议、论述了基于状态机的嵌入式软件设计，实现了系统功能。