无线多媒体中无线收发芯片NRF903的应用 - 全文

引言

现代通信技术正走向网络核心技术分组化、窄带接入技术无线化。现在无线作为有线的有效补充,得到了越来越广泛的应用,在很多场合,许多多媒体应用需要短距离的无线传输。无线多媒体系统除了提供多媒体服务外,具有无线所具有的建设速度快、安装灵活方便等优点,还能在布线困难的地方实现多媒体通信。因此,无线多媒体具有广阔的应用前景。但无线也存在着一系列的问题,如多经传输、信道衰落和空间射频干扰等。

1无线多媒体系统概述

本系统为无线可视系统,集图像、声音、控制、数据等多媒体信息的采集、传输和处理为一体,系图1无线多媒体系统框图统能传输单向视频信号,双向语音信号,双向数据信号,并具有数据采集等功能。系统框图如图1所示,系统分为主机和从机。通过对主从机的参数设定可以实现点对点和点对多点通信。主从机之间可以实现实时的双向语音通信,同时从机把视频信号传给主机,从机还可以把传感器等的数据传给主机。

图1无线多媒体系统框图

2系统设计

2.1NRF903芯片介绍
射频收发电路采用NordicVLSI公司的单片射频收发芯片NRF903。该芯片的工作频率为国际通用的ISM频段433/868/915MHz,NRF采用抗干扰能力强的GMSK调制方式来优化信道效率,在GMSK中,在调制载波前采用了高斯滤波器,这样可以在同等带宽下传输更高速率的数据,可在155.6kHz的有效带宽下传输最高76.8kbps的数据。最大发射功率可以调整到+10dBm,天线接口设计为差分天线。NRF903的工作电压范围为2.7～3.3V,NRF还具有待机模式,这样可以更省电和高效。芯片的参数包括工作频率和发射功率都可以通过一个14bit的配置寄存器用SPI串行线进行设置。采用DSS+PLL频率合成技术,频率稳定性极好;灵敏度高,达到-100dBm.内置独有的镜像频率抑制电路。

2.2射频模块电路设计
为了提高发送距离,本系统中的NRF903模块采用拉杆天线,如图2所示,有效值的设定才能保证良好的功能,根据公式在不同的PCB板的模块调试中,选定CS,CP,LP的参数值使电路谐振在所工作的频段,同时使LS,CS1发生谐振。所选定的电容、电感必须具备良好的性能。PCB的底面有一个连续的接地面,射频电路的元件面以NRF903为中心,各元器件紧靠其周围,尽可能减少分布参数的影响。射频部分的电源与数字电路部分的电源分离,NRF903的VSS端直接连接到接地面。注意不能将数字信号或控制信号引入到PLL回路滤波器元件上。NRF903的VCO电感位置的最佳设计是保证产生1.1±0.2V的PLL回路滤波器电压。

元器件值的选定见文献[1],根据不同的PCB板以及相关器件特性,根据频谱分析和测定的电压等值,可以适当的调整这些元器件的值,使其性能达到最佳。模块如图2所示CFG-CLK,CFG-DATA,CS为初始化配置线。STBY为待机模式控制端,“0”为工作模式,“1”为待机模式。CLK_OUT为分频时钟输出。C_SENSE为载波检测输出,当没有接收到载波信号时,C_SENCE输出电压为“0”,随着接收电平的上升,C2SENCE的输出电压上升,上升到输入电平值接近接收灵敏度极限以上10dB点时,C_SENCE为“1”。TXEN为发射控制端,“0”为接收模式,“1”为发射模式。DATA端为数据输入?输出端。PWR_DWN为掉电模式控制端,“0”为工作模式,“1”为掉电模式。其余的引脚为VCC和VSS。

图2射频模块电路框图

2.3初始化程序设计
在NRF903模块正常工作前,需对其内部14bit的控制寄存器通过CFG_CLK,CFG_DATA,CS进行初始化。CS,CFG_CLK和CFG_DATA组成的串行接口将控制参数锁存到内部配置单元的移位寄存器中。芯片选择脚(CS)用来使能芯片的配置模式。配置期间,CS为高,配置字被锁入(MSB在先)。配置字被锁入移位寄存器后,CS变低,配置开始启动。配置时序见文献[2]。

CFG_DATA位速率不能超过1Mbps。一旦配置完,设备状态由外部信号TXEN,PWR_DWN,STBY和DATA(DATA在发射模式为输入脚,在接收模式为输出脚)来设定。配置可以在除了待机和掉电以外的所有模式中完成。在掉电和待机模式工作后,寄存器内容仍然有效。配置数据只有当电源撤除后才会丢失。如果不进行配制,模块在默认模式下,工作频率为868.1856MHz,按最大功率输出,CLK_OUT为1.3284MHz。该特性使微控制器的软件调试变得简单、方便。配置中的1～2位为频段选择,3～10位为频点选择,11～12为输出功率设置,13～14为时钟分频输出设置,如表1所示。

在本系统中,工作频段为927M,选择的配置字为1000,0010,0100,10。初始化程序如下:
CLRP3.5;PWN-DWN=0,置工作模式
CLRP1.7;STBY=0,置工作模式
MOVR3,#08H
MOVA,#82H
SETBP3.6;配置期间CS拉高
CFG1:RLCA
MOVP3.0,C;
CLRP3.1
SETBP3.1
DJNZR3,CFG1
MOVR3,#06H
MOVA,#48H
CFG2:RLCA
MOVP3.0,C
CLRP3.1
SETBP3.1
DJNZR3,CFG2
CLRP3.6;CS置低,配置结束。

2.4无线传输数据帧设计
由图1所示,NRF903的系统设置由单片机控制,采集的数据信号和控制信号由单片机传到CPLD打包处理后再传到NRF903数据脚。语音信号直接传到CPLD处理。由于该无线收发模块自身存在缺点,当两个模块处于接收状态时,NRF903的数据脚上有杂波,由于杂波的引入,使得系统所接收的数据无法保证其可靠性。这就使该模块的应用产生了很大的障碍,加上无线通信本身的特点(多经干扰,信道衰弱等),为了保证无线通信的可靠,除了充分利用C-SENCE引脚特性外,还对数据进行打包成帧。协议数据包格式如表2所示。

0XFF,0XAA,0X55为引导字节(通过测试和实验发现,0XFF后0XAA,0X55在噪声中不容易发生),用来对杂波和传输数据进行辨识。我们可以不断检测输入数据的内容,采用检测三个字节的方法进行辨识,即检测两个连续输入的字节,当接收到的第一个字节不是0XFF便重新检测,如果是,检测下面的字节是否分别为0XAA和0X55,如果是,就可以认为其后面的数据为有效数据,如果不是,重新检测。Host,Destination分别为主机和目的机地址。由于NRF903模块有发送,接收,掉电以及待机4种工作模式。在模式切换时,编程中要作相应的延时处理才能保证正确的接收和发送数据,具体延时见文献[1]。

3系统实现和测试

图1所示的系统为一个模数混和系统。视频信号为无线模拟传输;音频信号及控制信号为无线数字传输;视频模拟信号为单向传输。从机中的视频信号经过摄像头的采集和处理,不经过CPLD处理直接传到射频发射模块,由射频发射模块发射出去,主机通过相应的射频接收模块接收视频模拟信号同时把信号传送到终端设备(显示屏)。数字传输的信号包括音频信号和控制信号,均为双向传输。从机中的模拟语音信号经过语音芯片的处理转换为数字信号,传到CPLD,同时控制操作经过单片机的处理转换为相应的控制信号以及终端设备中的温度传感器的数据信号也传到CPLD,经过CPLD的处理转换成如表2所示的帧格式,再传到NRF903传输模块,通过模块的天线发射出去。

主机中,由相对应的NRF903模块接收数字信号,传到CPLD进行解包和处理,然后分别把音频信号和控制信号传到语音芯片和单片机中,音频信号经过语音芯片处理后送至扬声器,控制信号经过单片机的处理去控制各部分协调工作,数据信号传给响应的显示屏。主机到从机的信号也通过类似的方法传输。在本系统中,NRF903很好的实现了单片机采集系统、控制系统和音频系统的无线数据传输功能。

为了确保模式转换中正确的接收、发送以及解调数据,在配置中需加上配置时间。接收数据时要考虑模块模式转换时的转换时间。在配置完成后,模块就能通过DATA脚来收发数据。在射频模块配置结束后,MS2711A频谱仪分别在10m和50m的距离下测试的模块频谱特性如图3和图4所示,其工作频率为927MHz,中心频率符合设计要求,其幅度分别为-62dBm和-81dBm。射频模块系统的性能符合设计要求。

 

图3距离10m时的频谱图

图4距离50m时的频谱图

4结束语

本文中的无线系统解决方案已在家庭、小区、厂矿、仓库等场所中多次得到应用。目前各产品系统稳定,无线通信误码率低,可靠性高,安全性好,射频模块满足系统设计的要求。本系统通过适当的修改和扩展,还可以应用于远程多媒体监控等领域