摘要：針對采用芯片nRF905的LED屏無線通信，分別給出了上位機和下位機的系統(tǒng)框圖，分析系統(tǒng)的功耗，比較無線模塊和串口通信的通信速率，驗證系統(tǒng)的可行性，設計串口通信協(xié)議。為保證數據質量，設計了數據通信協(xié)議，針對串口數據的nRF905分包轉發(fā)，設計了無線芯片通信協(xié)議。例舉了狀態(tài)機的5種狀態(tài)，介紹狀態(tài)間的轉換條件，巧妙地編程設計了通信數據的定時器檢查，論述了基于狀態(tài)機的嵌入式單片機軟件編程。
關鍵詞：nRF905；單片機ATmega16A；可行性分析；狀態(tài)機

    現行市場上的LED屏，多采用異步串口、TCP／IP接口等有線和GPRS無線進行通信。對于裝修計劃中的LED屏，即使提前布線或預留線纜空間，在線纜損壞或調試LED屏還是有諸多不利條件。技術成熟的GPRS無線模塊，價格昂貴，不適用于大眾場合。針對普遍使用的串口通信控制的LED屏，本文介紹了采用nRF905芯片為核心的硬件電路，論述了無線通信系統(tǒng)中的功耗估計、速率適配、串口與無線的通信協(xié)議設計和嵌入式單片機的軟件設計，實現單片機控制串口的無線通信。

1 硬件設計
1．1 硬件總體框圖
    硬件框圖如圖1和圖2所示。圖1為上位機框圖，電路板上的單片機收到計算機發(fā)來的控制數據，通過無線模塊轉發(fā)。圖2為下位機框圖，單片機將無線模塊收到的數據，通過串口發(fā)給LED屏的電路控制板。LED屏回復數據的傳輸方向正好相反。

    采用ProtelDXP繪制電路原理圖和雙面PCB板，使用JTAG mk II在AVR Studi04下編寫基于單片機的嵌入式軟件，采用GCC編譯器進行編譯連接。
1．2 電路設計
    (1)單片機ATmega16A
    采用芯片LM1117將DC 9 V穩(wěn)壓到DC 3．3 V，對單片機ATmega16A、芯片nRF905、芯片MAX3232進行供電。串口通信采用芯片MAX3232進行邏輯電平的轉換。系統(tǒng)采用高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmega16A單片機。該單片機具有16 KB的系統(tǒng)內可編程FLASH、512 B的E2PROM和1 KB的SRAM，供嵌入式軟件使用；在線調試的JTAG端口，豐富了系統(tǒng)的調試手段；獨立的定時器和可編程的串口，加強了系統(tǒng)的功能。單片機ATmega16A上的SPI接口，可保證無線芯片nRF905的無縫連接。
    (2)無線芯片nRF905
    NORDIC公司的無線芯片nRF905采用高效的GFSK調制，使用開放的ISM頻段，工作速率可達50 Kb／s，收發(fā)模式切換時間短，功耗低，內置硬件CRC校驗和點對多點的通信地址控制，這些優(yōu)點特別適合工業(yè)控制場合。
1．3 可行性分析
1．3．1 通信速率
    nRF905無線收發(fā)芯片的最高工作速率50 Kb／s。PC機端的控制軟件可以設置串口的工作速率，典型波特率設置為9 600 b／s或115 200 b／s。串口的波特率的每個字節(jié)加上起始位、停止位和奇偶校驗位，經計算，串口工作速率小于無線芯片的工作速率，因此，可以采用無線芯片nRF905轉發(fā)串口數據進行通信。
1．3．2 功耗估計
    (1)單片機ATmega16A的耗散功率條件：溫度，25℃；單片機工作晶振：1 MHz；工作電壓，3．3 V。
    激活模式：功率P=0．6×3．3=1．95 mW
    空閑模式：功率P=0．2×3．3=0．66 mW。
    (2)芯片MAX232的耗散功率工作電壓：V=3．3 V。
    最大工作電流：I=1 mA。
    典型工作電流：I=0．3 mA。
    則最大功耗：P=VI=3．3 mW。
    典型功耗：P=W=0．99 mW。[!--empirenews.page--]
    (3)無線模塊的功率計算
    發(fā)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)穩(wěn)壓芯片LM 1117的耗散功率
    輸入電壓：Vin=9 V。
    輸出電壓：Vout=3．3 V。
    系統(tǒng)工作電流I=(0．6+1+30)=31．6 mA。
    則功耗P=(Vin-Vout)×I=180．12 mW。
    (5)總功率的計算
    系統(tǒng)最大功耗：
    P=180．12+1．95+3．3+99=284．37 mW
    經功耗估計，系統(tǒng)功耗較小，因此可以使用DC 9V電池供電。設計系統(tǒng)的供電方式為電池和外部DC 9V電源，通過跳線切換。
1．4 電路板布局
    實現無線通信的系統(tǒng)電路板布局如圖3所示。

2 軟件設計
2．1 通信協(xié)議
    (1)串口通信協(xié)議。設計串口通信協(xié)議：1位起始位，8位數據位，“空格”校驗位，1位停止位。
    (2)數據通信協(xié)議。設計串口發(fā)送數據的通信協(xié)議：串口發(fā)送數據的第1個和第2個字節(jié)是0xF6、0x5A，作為包頭，第3個字節(jié)和第4個字節(jié)為數據長度的一半，數據最后的2個字節(jié)為校驗字節(jié)。LED屏控制卡回復數據為4個字節(jié)，第1個字節(jié)和第2個字節(jié)為為發(fā)送數據的前2個字節(jié)，后2個字節(jié)為發(fā)送數據的最后2個字。
    (3)無線收發(fā)數據協(xié)議。無線通信的數據采取分包發(fā)送的機制。無線通信協(xié)議設計如下：第1個字節(jié)為包頭0xF6，第2個字節(jié)為數據的長度，該字節(jié)的首位置1，此包數據為最后一包，該字節(jié)的首位置0，此包數據非最后一包。由于無線芯片一包最大發(fā)送或接收字節(jié)數32 B，所以最大數據包長度為30 B。大于30 B的數據，將分包發(fā)送。
2．2 芯片nRF905工作原理
    (1)芯片nRF905的管腳及管腳功能如表1所示。

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    (2)芯片nRF905的工作模式
    芯片nRF905共有4種工作模式：活動模式有ShockBurst RX(接收模式)和ShockBurst TX(發(fā)送模式)；節(jié)電模式有掉電模式和SPI編程模式或STANDBY(空閑模式)和SPI編程模式。芯片nRF905的工作模式由TX_EN，TRX_CE，PWR_UP的設置來設定，如表2所示。
2．3 基于狀態(tài)機的嵌入式軟件設計
2．3．1 系統(tǒng)初始化
    系統(tǒng)初始化主要包括：端口、串口、SPI總線、無線芯片、定時器和鏈表。狀態(tài)機的初始化包括：初始狀態(tài)、各個狀態(tài)的初始條件等。根據數據發(fā)送和接收的流程，設計狀態(tài)機的5種狀態(tài)：待機狀態(tài)ST_STAND_BY；串口接收狀態(tài)(PC端)ST_UART_RECV；無線接收狀態(tài)(LED屏端)ST_WAVE_RECV；串口等待狀態(tài)(LED屏端)ST_UART_WAIT；無線等待狀態(tài)(PC端)ST_WAVE_WAIT。
2．3．2 狀態(tài)機的狀態(tài)觸發(fā)與轉換
    上位機在中斷中接收PC機發(fā)送的控制數據，存儲在循環(huán)鏈表中，通過無線芯片分包發(fā)送；上位機查詢無線芯片接收回復數據，通過串口發(fā)給PC機上的控制軟件；上位機狀態(tài)觸發(fā)與轉換關系如圖4所示。下位機查詢接收無線模塊發(fā)送的數據，通過串口轉發(fā)給LED屏控制卡；LED屏控制卡的回復數據，下位機在中斷中接收，通過無線發(fā)送；下位機狀態(tài)觸發(fā)與轉換關系如圖5所示。圖4和圖5共同完成1次數據應答。

2．3．3 定時器的數據收發(fā)檢測
    (1)串口接收數據完的檢測。串口的數據接收是在中斷中完成的，因此在中斷中對定時器置數，中斷外面減數。波特率為9 600b／s時，中斷間隔小于1 ms。設置定時器的時長1．5 ms，如果超過此時長，則意味著串口數據接收完成。
    (2)無線發(fā)送接收數據的檢測。嵌入式程序中多處用到無線收發(fā)數據的定時器檢測，根據應用場合，選擇定時器的時長。

3 結語
    本文對采用芯片nRF905進行LED屏的無線通信進行了論證，從通信速率和功耗兩個方面分析了技術可行性，設計了串口通信協(xié)議、數據包協(xié)議和無線通信協(xié)議、論述了基于狀態(tài)機的嵌入式軟件設計，實現了系統(tǒng)功能。