基于nRF401的短距离无线通信设计

无线通信网络

产品设计与实现

２００７５

基于ｎＲＦ４０１的短距离无线通信设计

闵

豫

李学华

（成都信息工程学院电子工程系，四川成都，６１０２２５）

【摘要】随着科技的发展，短距离无线通信已广泛应用于各种领域中。选用两块基于ｎＲＦ４０１的无线传输模块ＰＴＲ２０００，分别与计算机串口和８９Ｓ５１单片机相连，利用ＣＲＣ循环冗余编码进行差错检验，从而构成了一条高效、稳定、可靠的点对点无线传输通路。在此基础上还设计出一套简单、实用的小型无线防盗报警系统，该系统具有自动纠错，自动识别，抗干扰能力强等特点。

【关键词】短距离无线通信

ｎＲＦ４０１

ＣＲＣ

ＰＴＲ２０００

无线通信因其组网灵活、无需布线、不受地理环境限制等优点而受到青睐，近年来发展迅速，被广泛应用于遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触ＲＦ智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象控制、机器人控制、无线／２３０／４２２／４８５数据通信、数字音频、数字图像传输等系统。主要介绍了基于ｎＲＦ４０１设计的无线通信硬件电路设计，通过分析误码率高低及出现误码的环节，讨论采用比较可靠的ＣＲＣ循环冗余编码进行差错检测，采用前向纠错方式对错误包进行纠正，从而建立一条高效、稳定、可靠、高速的点对点无线传输通路。并在此基础上设计出一套无线防盗报警系统，具有自动识别、自动连网、灵敏度高等特点，经过实验，能够稳定工作。

一、系统设计

选用两块ＰＴＲ２０００模块，其中一块经ＭＸ２３２电平变换后与计算机串口相连构成主机，另一块直接与８９Ｓ５１单片机串口和Ｉ／Ｏ口相连组成从机，从而构成一条点对点的半双工无线通路，基本结构如图１所示，其中ＰＴＲ２０００模块核心芯片为ｎＲＦ４０１。

前端探测器

单片机

ＰＴＲ２０００

如图１所示，选用基于４３３ＭＨＺ单片无线收发芯片ｎＲＦ４０１的无线数传模块ＰＴＲ２０００建立无线通信电路。

１、ｎＲＦ４０１芯片

ｎＲＦ４０１是一个为４３３ＭＨｚＩＳＭ频段设计的真正单片ＵＨＦ无线收发芯片。它采用ＦＳＫ调制解调技术，最高工作速率可以达到２０Ｋ，发射功率可调，最大发射功率是＋１０Ｄｂ，天线接口设计为差分天线，以便使用低成本的ＰＣＢ天线，ｎＲＦ４０１还具有待机模式，工作电压范围可以从２．７－５Ｖ。其优点在于电路外围元件少，无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，最高速率２０Ｋｂｐｓ，功耗低，工作电压范围宽，因而被广泛应用于报警和安全系统，自动测试系统，家庭自动化控制，遥控装置，车辆安全系统，工业控制，电信终端等领域。

２、ＰＴＲ２０００模块

ＰＴＲ２０００是一种新型的单片无线收发数传ＭＯＤＥＭ模块，该器件为超小型模块器件，内部集成了ｎＲＦ４０１芯片及其外部电路，具有超低功耗、高速率（１９．２Ｋｂｐｓ）无线收发数传功能，且性能优异，使用方便，可广泛应用于无线数传产品的设计领域。

３、主机硬件电路设计

主机由ＰＴＲ２０００经ＭＡＸ２３２电平转换后与计算机串口相连构成，硬件组成电路如图２所示。

４、从机硬件电路设计

ＰＴＲ２０００Ｒｓ２３２ＰＣ

图１无线通信系统基本结构

从机主要由８９Ｓ５１单片机、ＰＴＲ２０００模块、Ｘ５０４５看门狗及ＥＥＰＲＯＭ存储芯片以及前端红外被动探测器组成。其中ＰＴＲ２０００与单片机串口相连，由单片机的

二、硬件电路－５２－

无线通信网络

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Ｃ１＋

ＶＣＣ

１２

０１．μＦ

５

９Ｐ１

４１３

ＭＡＸ１

８１２ＶＣＣ３８Ｒ１１ＮＣＳ７１１Ｒ２１ＮＲ１ＯＵＴ２１０Ｔ１１ＮＲ２ＯＵＴ１９４ＤＯ６Ｔ２１Ｎ７Ｃ１＋ＭＡＸ２０２Ｔ１ＯＵＴＴ２ＯＵＴ４ＧＮＤＤ１１

１３

Ｃ１－Ｃ２＋Ｃ１＋

５

ＰＷＲＤＲＤ

＋Ｃ２

Ｃ４４

ＰＴＸＥＮＴＲ２０００

０１．μＦ

ＩｖＣ

０１．μＦ

Ｃ＋

３

０１．μＦ

图２主机硬件电路

Ｐ３１４口控制ＰＴＲ的接收与发送状态，前端红外被动探测器的触发口与单片机的ＩＮＴ０口相连，从而产生触发报警信号，Ｘ５０４５芯片用来存储从机ＩＤ及构成看门狗电路硬件电路如图３所示。

图３从机硬件电路

红外主动探测器电路如图４所示。

图４前端红外主动探测器电路图

当Ｄ２接收到Ｄ１发射出经反射物反射的信号，Ｄ３发光，输出端Ｕ０１（ＬＭ５６７）的８脚输出低电平。将第８脚与单片机的ＩＮＴ０口相连，即构成一个高灵敏度的红外被动探测电路。

该电路设计能够兼容多种探测器，如烟雾探测器、压力探测器、门磁探测器等，准确地讲，只要能产生下降沿触发信号的探测器均能与本电路组成防盗报警从机。在实际应用中，可选用连接各种不同探测器的从机组成多元防盗监控报警系统。

三、软件系统设计

１、ＣＲＣ码校验原理及生成方法

循环冗余码校验是利用除法及余数的原理来做错误检测。实际应用时，发送端计算出ＣＲＣ值并随数据

产品设计与实现

一同发送给接收端，接收端对收到的数据重新计算

ＣＲＣ并与收到的ＣＲＣ相比较，若两值不同，则说明通

信出现错误。

常用的ＣＲＣ码有ＣＲＣ－１２码，ＣＲＣ－１６码，ＣＲＣ－ＣＣＩＴＴ码，ＣＲＣ－３２码，由于设计需要发送的数据只有两个字节，所以为减小杂项开销，提高信道利用率，采用简化的８位ＣＲＣ码，通过实验，完全能满足系统需要。

８位ＣＲＣ码生成的过程为：

（１）设置ＣＲＣ寄存器，并给其赋初值ＦＦ。

（２）将数据第一个８ｂｉｔ字符与ＣＲＣ寄存器相异或，结果存入ＣＲＣ寄存器。

（３）ＣＲＣ寄存器向右移一位，最高位补零，移出并检查最低位。

（４）若最低位为０，重复第（３）步；若最低位为１，ＣＲＣ寄存器与多项式码异或。

（５）重复（３）到（４）步直到８次移位全部完成，第一个８ｂｉｔ数据处理完毕。

（６）重复（２）至（５）步直到所有数据全部处理完成。

（７）最终ＣＲＣ寄存器的内容即为ＣＲＣ值。２、从机软件设计从机主要实现功能为：

（１）可连接各种前置探头组成报警从机；（２）遇到触发情况（非法进入，火警）向主机报警；（３）以一定时间间隔向主机发送联络信号（防破坏）；

（４）具备唯一ＩＤ，可通过无线通信从主机获得或更新ＩＤ。

当该从机是该系统数据库中已登记的从机时，该从

机的工作流程图如图５（ａ）所示，从机开机后进入待机状态，等待主机发送开机指令。若收到主机发送的开机指

开机

开机

按下请求开机按钮

等待

Ｎ

发送本机ＩＤ及请求开机指令

是否收到开机信号

Ｎ

是否收到确认信号

ＹＹ发送联络信号

发送联络信号

（ａ）

（ｂ）

图５从机二作流程图

令，则按一定时间间隔发送联络信号，间隔设置为５ｓ。

当该从机不是系统数据库中已登记的从机时，该

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无线通信网络

产品设计与实现

从机的工作流程图如图５（ｂ）所示。当从机发送本机ＩＤ及请求开机指令后，等待主机响应，主机判断该ＩＤ是否是系统中ＩＤ，若是，则发确认开机信号。若不是系统中ＩＤ，则发要求从机更改ＩＤ指令，从机收到该指令后，发出准备接收新ＩＤ指令，主机接收到从机发回的准备接收ＩＤ指令后，则发更新ＩＤ指令及新ＩＤ。从机收到该更新后的ＩＤ即将其锁存进Ｘ５０４５，并以该新ＩＤ发送开机信号。

从机正常工作时，除按时发送联络信号外，随时监控主机发回的指令，并随时响应主机指令和外部报警中断，此时的工作流程如图６所示。

发送联络信号

监听

是否触发报警

收到确认指令

收到新ＩＤ收到准备接收新ＩＤ号指令

正常工作

锁存新ＩＤ，重法开机信号

进入待机模式

等待接收新ＩＤ

图６从机监听工作流程图

由于从机采用８９Ｓ５１单片机作控制，所以从机的ＣＲＣ校验将用Ｃ语言设计。

３、主机软件设计

主机主要实现的功能为：（１）收到从机报警信号后报警；

（２）随时检测从机联络信号，若超时未收到联络信号则报警；

（３）搜索新主机并发给唯一ＩＤ。主机工作流程如图７所示。

主机采用ＶＢ编程，其中主控窗口如图８所示。由图８可见主控窗体主要由一个监控窗和４个命令按钮组成。当点击“开始监控”按钮，主机收到从机联络信号后，则在监控窗中显示当前工作的探测器其监视的范围。同时“开始监控”按钮变为“停止监控”，再按下则发送探测器待机指令。当按下“查看报告”按钮时，将弹出报告对话框，可通过此窗体查看探测器开始工作时间、报警情况、以及与系统失去联系的时间等信息，点击“保存记录”则将报告以ＴＥＸＴ文档格式保存。

四、结论

介绍了基于ｎＲＦ４０１芯片设计的无线通信系统，并以红外监控为例，成功完成了红外探测和无线通信传输于一体的软硬件设计。实验证明该无线防盗报警系统可以长时间稳定可靠地工作。当然，对于该系统，

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开机

发送开机信号

等待收到报警信号

等待

收到从机开机信号

发送确认指令，收到从机联络信号关Ｔ１，检索数据执行报警程序，库中探测器ＩＤ

生成报警文件

等待发送开机信号，打是系统中探测器不是系统中探测器开Ｔ２，监控探测器联络信号（Ｔ２定时检索数据

库、若发现未报到的探

开Ｔ１，发开弹出对话框，测器则报警）

机信号选择是否将其加入数据库

添加进库，发更新ＩＤ指令

发送待机信号

收到ＲＥＡＤＹ信号，

开Ｔ１发新ＩＤ

图７主机工作流程图

图８主控窗体

还有很多地方可以完善，比如遇到非法进入时，计算机控制外接照相机或摄像头拍下入侵者的照片，然后通过电子邮件或手机彩信通知业主或小区保安。

【参考文献】

［１］郑郁正．单片机原理及应用［Ｍ］．成都：四川大学出版社，２００３．

［２］曾强聪．ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｃ程序设计基础教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００４．

［３］张卫钢．通信原理与通信技术［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出版社，２００３．

［４］谭浩强．Ｃ程序设计（第二版）［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２０００．

本文转自《成都信息工程学院学报》２００６年第１２期

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/inre.html