基于ATmega16和nRF905的无线射频收发系统设计

0引言

随着当今电子科技的飞速发展，各种智能化控制系统(比如智能化小区内部的无线抄表系统、门禁系统、防盗报警系统和安全防火系统等)、工业数据采集系统、水文气象控制系统、机器人控制系统、数字图像传输系统等等，都已经离不开数据信息的电子传输。可以说，数据信息传输系统是各种智能化控制系统的重要组成部分。而数据传送大部分采用有线数据传送方式，如并行传送、串行传送和CAN总线等等。在有线数据传输方式当中。数据的传输载体是双绞线、同轴电缆或光纤。其实，数据传输还可以用无线传输方式，即通过空气或真空实现数据传送。相比于传统的有线数据传输方式，无线传输方式可以不考虑传输线缆的安装问题，从而节省大量线缆，降低施工难度和系统成本，因而是一个很有发展潜力的研究课题。

本文给出了用ATMEGA16L单片机和nRF905无线射频器收发组成的一种无线数据传输系统的设计方案。该系统由发射和接收模块组成。发射模块主要将要发送的数据经单片机处理后，通过nRF905发送出去。在接收模块中，nRF905则将数据正确接收后通过数码管显示出来，从而实现短距离的无线通信。

1收发系统硬件设计

1.1 系统硬件总体方案

本系统的总体框图如图1所示，图中箭头指向表明信号的走向。本系统从功能上可以分为电源模块、中心控制模块、无线收发模块、接收数据显示模块等四个部分。

本设计需要3.3 V电压。故可用三端可调输出集成稳压器LM317来产生3.3 V电压。图2所示是用LM317产生3.3 V电源电压的电路原理图。

1.3单片机控制电路

该系统选择AVR ATMEGA16L单片机来进行控制电路的设计。其原因主要是该单片机具有以下特点：

(1)速度快

AVR单片机在单一时钟周期内能够执行功能强大的指令，每MHz可实现MIPS的处理能力，是具有最高MIPS／mW能力的8位单片机。AVR单片机采用大型快速存取寄存器文件和快速单周期指令。其快速存取RISC寄存器文件由32个通用工作寄存器组成。

(2)片内资源丰富

内含8通道10位AD转换器的最高采样率为15kSPS，可满足本系统所要求的8kSPS的要求；SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)控制器可简化单片机与串行DAC和无线收发芯片之间的通讯，减少连线；而512字节的EEPROM则可在掉电时存储用户信息：该单片机有两个外部中断，可确保单片机及时响应并处理最新收到的信息。

(3)可重复擦写并可在系统编程(ISP)

AVR单片机ATMEGA16L中的程序存储空间采用的是Flash存储技术，因此，该单片机的内部存储单元可在线重复擦写1000次以上。

(4)低功耗

AVR ATMEGA16L单片机的工作电压范围为2.7～5.5 V，同时具有休眠省电功能(POWERDOWN)及闲置(IDLE)低功耗功能，此时的一般耗电在1～2.5 mA之间。由于本系统以移动性和低功耗见长，因此，采用此单片机芯片可以满足系统对功耗的要求。

(5)带有同步串行接口SPI

SPI是一种同步串行外围总线系统接口，它可以使微处理器与各种外围设备以同步串行方式进行信息交换。SPI总线一般使用四根信号线：SCK(串行时钟)、MISO(主机输入／从机输出)、MOSI(主机输出／从机输入)和SS(低电平有效的从机选择)。利用SPI总线可以在软件控制下构成各种系统。

ATMEGA16L单片机内含一个标准的SPI接口，可用于单片机与单片机或外设之间进行高速同步数据传输。它使用标准的四线接口。SCK、MISO、MOSI、／SS分别与PB7、PB6、PB5和PB4复用。在硬件设计时，本设计把MCU的SPI接口、nRF905的SPI接口．以及另外选定的几个I／O口连接到nRF905的输入输出信号。ATMEGA16L与外围器件的连接电路见图3所示。

1.4无线收发芯片nRF905简介

系统中的无线收发电路采用挪威Nordic公司的单片无线收发器芯片nRF905。该芯片的工作电压为1.9～3.6 V，采用32引脚QFN封装(5×5 mm)，可工作于433／868／915 MHz三个ISM(工业、科学和医学)频段，是一个真正的单片UHF无线收发芯片。nRF905采用FSK调制解调技术，频道之间的转换时间小于650μs。nRF905集成度高，由一个完全集成的频率调制器、一个带解调器的接收器、一个功率放大器、一个晶体振荡器和一个调制器组成，工作频率稳定可靠，外围元器件少，不需外加声表滤波器，ShockBurstTM工作模式，能自动产生前导码和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，nRF905最高工作速率可达20 k，发射功率可以调整，最小为-10 dBm，最大为+10 dBm。其功耗非常低，以-10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA，工作于接收模式时的电流为12.5 mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能，适合便携式产品的设计。

1.5无线收发电路设计

本系统的无线发射接收电路主要利用nRF905与外围器件构成的电路组成，其主要部分是天线。简而言之，就是一个特定形状的导体，它可以将电流转化为射频能量并以电波形式发射出去．或将无线电波接收进来。任何一个无线系统都有天线，天线设计的好坏直接影响无线系统的收发能力。图4所示是用nRF905差分连接的环形天线图。