基于单片机控制的射频通信基站的设计与实现

目前有线通信技术始终是市场的主流，但是空间区域不能自由布线是最大瓶颈。而无线通信技术能很好的解决这一问题，能更好的解决基础硬件搭建调试及减小后期维护的难度。本文采用同类产品中性价比较高的芯片NRF24L01，配合简单外围电路和降低芯片，实现对其控制，很好地解决了这一问题。

本文的控制部件选用AT89C51型单片机。由于这种芯片只有SPI通信接口，而目前常用的单片机都没有这种接口，因此需要对该芯片的通信时序进行模拟，所以在控制器里编程时要严格按照芯片工作时序进行。

1 系统硬件组成

NRF24L01芯片是具有2.4GHz内嵌基带通信协议引擎功能的收发芯片。通过SPI接口对芯片内部寄存器映射操作，可以使其在空中的传输速度最大达到2Mb/s。

该芯片主要特点包括GFSK调制技术：126RF频道满足多点通信需要1~2Mb/s空中数据传输速率内置硬件CRC检错和点对点通信地址控制：发送方电源可以通过编程输出0dBm，-6dBm，-12dBm，-18dBm：芯片可以通过软件设置地址，确保通过地址认证双方才能通信：接收方采用集成通道过滤器，可编程的增益设置：主机接口采用4根SPI硬件接口线，最大8Mb/s传输速率，3个32字节的TX与RX的FIFO寄存器，5V容抗输入。

该芯片引脚功能如图1所示，引脚1为CE数字信号输入，引脚2为CSN数字信号输入，引脚3为SCK数字信号输入，引脚4为MOSI数字信号输入，引脚5为MISO数字信号输出，引脚6为IRQ数字信号输，引脚7，15，18为VDD电源，引脚8，14，17为VSS电源，引脚9为XC2模拟输出，引脚10为XC1模拟输入，引脚11为VDD_PA电源输出，引脚12为ANT1射频，引脚13为ANT2射频，引脚16为IREF模拟输入，引脚19为DVDD电源，引脚20为VSS电源。

在硬件搭建时特别要注意在SPI接口与51单片机的P0引脚相接时需要接10kΩ的上拉电阻，其余的接口不需要。VCC引脚接入电压范围为1.9~3.6V，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块，推荐电压3.3V。因为这样可以直接和NRF24L01模块的I/O口线连接。如果是其他系列的单片机，其电源是5V，单片机I/O口输出电流如果超过10mA时需要串联电阻分压，否则容易烧毁模块。例如AVR系列单片机电源是5V，需串接2kΩ的电阻。

 

图1NRF2401芯片引脚功能图

1.2 NRF24L01芯片构成的通信模块电路设计

NRF24L01芯片通信模块电路核心器件NRF24L01配合网络晶振、解耦电容、偏极电阻一起工作构造稳定射频通信模块。该芯片是贴片结构，模块占用空间少，如图2所示。

 

图2由NRF24L01芯片构成的通信模块电路图

1.3 电源电路

电源电路如图3所示，B1是9V蓄电池或者锂电池，能够反复充电。C1，C2,C3，C4都是滤波电容，起到一次与二次滤波作用。D1，D2是稳压二极管，使输出端的电压稳定在理想的水平电压。芯片7805是三端稳压集成电路芯片，具有正电压输出。其电路内部还有过流、过热及调整管等保护电路，最终目的把9V电源转变成稳定5V输出，为后续设备供电。

1.4 系统通信电路设计

系统通信电路如图4所示。本电路中应用单片机AT89C51作为控制芯片，对NRF24L01主通信模块的接口时序模拟和对数据的发送与接收进行处理。

图3电源电路图

 

 

 

图4系统通信电路图

1.5 与PC机通讯电路设计

如果单片机通信电路与单片机通信电路通信，则两个硬件电路和图4相同，只是在软件设计时需在每个通信端设定不同的通信地址，以辨认每个通信端口。若是单片机通信电路与PC机或者具有COM口的设备电路通信，则需要一个转接电路，其硬件电路如图5所示。

 

 

图5SPI接口与MAX232通信硬件电路图

在图5所示的电路中，单片机左侧是一块MAX232芯片，其作用是将PC机中的232电平与单片机的TTL电平匹配。最左侧是9芯母接头，在使用时可接在计算机COM口上与计算机通信。单片机右侧接一块射频通信模块。由于此块单片机同样没有SPI接口，所以需要用普通接口软件模拟SPI接口，其编程要严格按SPI端口的通信逻辑时序。

2 单片机控制实现算法

通信芯片可以工作在四种模式下，即:配置模式、空闲模式、关机模式和收发模式。工作模式由PWR_UPregister、PRIM_RXregister和CE三个寄存器共同决定。在工作模式的收发模式中推荐使用EnhancedShockBurst收发模式，因为在这种工作模式下，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高。两种算法流程图如图6所示。

 

 

图6发射流程与接收流程

 

3 结语

(1)提出基于射频的无线通信技术方案，并且按照该方案搭建硬件电路。

(2)设计单片机控制算法，在PC机中编好上位机软件，执行机构能迅速执行预定结果，反应时间小于1ms。

(3)在执行机构遇到障碍时，能返回准确命令，使上位机捕捉到相应信息，直接反映双向通信效果好。

(4)系统稳定可靠，数据传输丢失率很小，低于0.01%。

(5)芯片互换性好，可根据不同传输距离选择不同芯片，软件不需改动。