1、I目 录中文摘要 .I英文摘要 .II1 绪论 .11.1 无线网络的应用价值 .11.2 现有的无线模块介绍 .11.2.1 CC1100.11.2.2 nRF905.11.2.3 nRF2401.11.3 无线通信协 .21.4 CSMA/CA 无线网络设计实现与应用 .32 无线通信网络的实现 .42.1 单片机与无线模块 .42.1.1 51单片机的性能与使用 .42.1.2 nRF2401的特性 .42.1.3 单片机与无线模块的接口 SPI总线 .52.1.4 无线模块的工作模式 .62.1.5 配置无线模块实现点对点的通信 .72.2 无线通信网络 .82.2.1无线网络的概念
2、.82.2.2点对多点的无线网络实现 .82.3 单片机的 rs232串口在通信过程中的应用 .82.3.1单片机的 rs232串口的原理 .82.3.2单片机的 rs232串口在无线网络设计调试中的应用 .9II3 CSMA-CA的多点多主机式无线网络的具体实现方法 .94 网络系统的主要流程图 .114.1基站的流程图 .114.2网络系统流程图 .125 硬件电路设计介绍 .135.1系统电平介绍 .135.1.1 TTL电平标准 .135.1.2 两种电平供电与转化的解决方案 .135.2单片机相关电路 .135.2.1 单片机复位电路 .145.2.2 晶振电路 .155.2.3单片
3、机串口电路 .165.3单片机与 nRF2401 接口电路 .165.3.1 电平转化 .175.3.2 单片机和 nRF2401的连接 .175.4系统总体电路图 .176 结论 .18致 谢 .19参考文献 .20附录 1.20附录 2.22附录 3.22附录 4.23附录 5.27III附录 6.2811 绪论1.1 无线网络的应用价值无线网络的历史起源可以追溯到 50 年前第二次世界大战期间。当时，美国陆军研发出了一套无线电传输技术，采用无线电信号进行资料的传输。这项技术令许多学者产生了灵感。1971 年，夏威夷大学的研究员创建了第一个无线电通讯网络，称作 ALOHNET。这个网络包含
4、 7 台计算机，采用双向星型拓扑连接，横跨夏威夷的四座岛屿，中心计算机放置在瓦胡岛上。从此，无线网络正式诞生。 近些年来由于电子科技的发展无线网络灵活性和移动性，安装便捷，易于进行网络规划和调整。故障定位容易，易于扩展等优点被凸显的淋漓尽致。因此其发展十分迅速。最近几年，无线局域网已经在企业、医院、商店、工厂和学校等场合得到了广泛的应用。1.2 现有的无线模块介绍1.2.1 CC1100 它是一种低成本真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在315、433、868和915MHz的ISM（工业，科学和医学）和SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为300-348
5、MHz 、400-464 MHz和 800-928 MHz的其他频率。它还为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。CC1100为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。1.2.2 nRF905它的RF收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，在915M频段其数据传输率可达 500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。1.2.3 nRF2401它是是一款工作在2.42.5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片，
6、它内部无线收发器的频率发生器具有增强型SchockBurstTM 模式，能高效的与2低速或中速CPU结合提高发射速度和效率。此外它内部的功率控制器，晶体振荡器，调制器，解调器，输出功率频道选择和协议的设置都可以通过SPI 接口方便的被CPU设置。他功耗极低当工作在发射模式下发射功率为-6dBm 时电流消耗为9.0mA 接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。1.3 无线通信协目前比较常用的无线网络协议有如下四种：IEEE802.11 系列协议： 作为全球公认的局域网权威，IEEE 802 工作组建立的标准在局域网领域内得到了广泛应用。这些协议包括 802.3 以太网协议、8
7、02.5 令牌环协议和 802.3z100BASE-T 快速以太网协议等。IEEE 于 1997 年发布了无线局域网领域第一个在国际上被认可的协议802.11 协议。1999 年 9 月，IEEE 提出 802.11b 协议，用于对 802.11 协议进行补充，之后又推出了802.11a、802.11g 等一系列协议，从而进一步完善了无线局域网规范。 蓝牙规范（Bluetooth）： 蓝牙规范是由 SIG（特别兴趣小组）制定的一个公共的、无需许可证的规范，其目的是实现短距离无线语音和数据通信。蓝牙技术工作于 2.4GHz 的 ISM 频段，基带部分的数据速率为 1Mbit/s，有效无线通信距离
8、为 10100m，采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙技术采用自动寻道技术和快速跳频技术保证传输的可靠性，具有全向传输能力，但不需对连接设备进行定向。在任意时间，只要蓝牙技术产品进入彼此有效范围之内，它们就会立即传输地址信息并组建成网，这一切工作都是设备自动完成的，无需用户参与。 HomeRF 标:准 HomeRF 工作组于 1998 年为在家庭范围内实现语音和数据的无线通信制订出一个规范，即共享无线访问协议（SWAP）。该协议主要针对家庭无线局域网，其数据通信采用简化的 IEEE802.11 协议标准。HomeRF 标准采用扩频技术，工作在 2.4GHz 频带，可同步支持 4 条高质量语
9、音信道并且具有低功耗的优点，适合用于笔记本电脑。 HyperLAN/2 标准： 2002 年 2 月，ETI 的宽带无线接入网络（Broadband Radio Access Networks，BRAN）小组公布了 HiperLAN/2 标准。HiperLAN/2 标准由全球论坛（H2GF ）开发并制定，在 5GHz 的频段上运行，并采用 OFDM调制方式，物理层最高速率可达 54Mbit/s，是一种高性能的局域网标准。3HyperLAN/2 标准定义了动态频率选择、无线小区切换、链路适配、多波束天线和功率控制等多种信令和测量方法，用来支持无线网络的功能。基于 HyperRF标准的网络有其特定
10、的应用，可以用于企业局域网的最后一部分网段，支持用户在子网之间的 IP 移动性。在热点地区，为商业人士提供远端高速接入因特网的服务，以及作为 W-CDMA 系统的补充，用于 3G 的接入技术，使用户可以在两种网络之间移动或进行业务的自动切换，而不影响通信。1.4 CSMA/CA无线网络设计实现与应用CSMA/CA 协 议 的 工 作 流 程 分 为 两 个 分 别 是 :送 出 数 据 前 ， 监 听 媒 体 状 态 ， 发 现 媒 体 空 闲 时 ， 维 持 一 段 时 间 后 ， 再 等待 一 段 随 机 的 时 间 后 依 然 没 有 被 使 用 ， 才 送 出 数 据 。 由 於 每
11、个 设 备 采 用 的 随机 时 间 不 同 ， 所 以 可 以 减 少 冲 突 的 机 会 。 送 出 数 据 前 ， 先 送 一 段 小 小 的 请 求 传 送 报 文 (RTS: Request to Send)给目 标 端 ， 等 待 目 标 端 回 应 CTS: Clear to Send 报 文 后 ， 才 开 始 传 送 。 利 用RTS-CTS 握 手 (handshake)程 序 ， 确 保 接 下 来 传 送 资 料 时 ， 不 会 被 碰 撞 。 同 时 由 於 RTS-CTS 封 包 都 很 小 ， 让 传 送 的 无 效 开 销 变 小 。CSMA/CA 通 过 这
12、两 种 方 式 来 提 供 无 线 的 共 享 访 问 ， 这 种 显 式 的 ACK机 制 在 处 理 无 线 问 题 时 非 常 有 效 。 然 而 不 管 是 对 于 802.11 还 是 802.3 来 说 ，这 种 方 式 都 增 加 了 额 外 的 负 担 ， 所 以 802.11 网 络 和 类 似 的 Ethernet 网 比 较总 是 在 性 能 上 稍 逊 一 筹 。以协议为依据，用89s52单片机模拟SPI 总线控制nRF2401 无线模块，通过对无线模块合理的配置，可很容易的在物理层和数据链路层实现符合协议要求点对点的通信。接下来我们模拟以上两条协议，安排合理的路由方式
13、以及传输层无重复无丢失的传输控制协议。即可实现一个具有CSMACA意义的无线通信网络。并且基于这个网络，我们设计了一个具有，及步进电机控制，和LCD中文操作菜单界面的简单预警系统（应用部分由队友完成）。42 无线通信网络的实现2.1 单片机与无线模块2.1.1 51单片机的性能与使用本设计选用被普及使用的性价比很高的微处理器 AT89S52 作为系统核心，它 是 一 种 低 功 耗 、 高 性 能 CMOS8 位 微 控 制 器 ， 具 有 8K 在 系 统 可 编 程Flash 存 储 器 。 使 用 Atmel 公 司 高 密 度 非 易 失 性 存 储 器 技 术 制 造 ， 与 工 业
14、80C51 产 品 指 令 和 引 脚 完 全 兼 容 。 片 上 Flash 允 许 程 序 存 储 器 在 系 统 可 编程 ， 亦 适 于 常 规 编 程 器 。 在 单 芯 片 上 ， 拥 有 灵 巧 的 8 位 CPU 和 在 系 统 可编 程 Flash， 使 得 AT89S52 为 众 多 嵌 入 式 控 制 应 用 系 统 提 供 高 灵 活 、 超 有 效的 解 决 方 案 。 它 还 有 256 字 节 RAM， 32 位 I/O 口 线 ， 看 门 狗 定 时 器 ， 2个 数 据 指 针 ， 三 个 16 位 定 时 器 /计 数 器 ， 一 个 6 向 量 2 级 中
15、 断 结 构 ， 全 双工 串 行 口 ， 片 内 晶 振 及 时 钟 电 路 。 另 外 ， AT89S52 可 降 至 0Hz 静 态 逻 辑 操 作 ， 支 持 2 种 软 件 可 选 择 节 电 模 式 。 空 闲 模 式 下 ， CPU 停 止 工 作 ， 允许 RAM、 定 时 器 /计 数 器 、 串 口 、 中 断 继 续 工 作 。 掉 电 保 护 方 式 下 ，RAM 内 容 被 保 存 ， 振 荡 器 被 冻 结 ， 单 片 机 一 切 工 作 停 止 ， 直 到 下 一 个 中断 或 硬 件 复 位 为 止 。 它 来 控 制 nRF2401 可 以 很 好 的 互 相
16、 配 合 ， 发 挥 各 自 的功 能 。2.1.2 nRF2401的特性(1) 2.4GHz 全 球 开 放 ISM 频 段 免 许 可 证 使 用 。(2) 最 高 工 作 速 率 2Mbps， 高 效 GFSK 调 制 ， 抗 干 扰 能 力 强 ， 特 别 适 合工 业 控 制 场 合 。(3) 126 频 道 ， 满 足 多 点 通 信 和 跳 频 通 信 需 要 。(4) 内 置 硬 件 CRC 检 错 和 点 对 多 点 通 信 地 址 控 制 。(5) 低 功 耗 1.9 - 3.6V 工 作 ， 待 机 模 式 下 状 态 为 22uA； 掉 电 模 式 下 为900nA。(
17、6) 内 置 2.4GHz 天 线 ， 体 积 小 巧 15mm X29mm。(7) 模 块 可 软 件 设 地 址 ， 只 有 收 到 本 机 地 址 时 才 会 输 出 数 据 （ 提 供 中 断 指示 )， 可 直 接 接 各 种 单 片 机 使 用 ， 软 件 编 程 非 常 方 便 。5(8) 内 置 专 门 稳 压 电 路 ， 使 用 各 种 电 源 包 括 DC/DC 开 关 电 源 均 有 很 好的 通 信 效 果 。(9)与 51 系 列 单 片 机 P0 口 连 接 时 候 ， 需 要 加 10K 的 上 拉 电 阻 ,与 其 余 口连 接 不 需 要 上 拉 电 阻 。关
18、 于 nRF2401 的 内 部 模 块 结 构 图 参 照 下 图 2-1：图2-1 nRF2401的内部模块结构图2.1.3 单片机与无线模块的接口SPI 总线SPI 就是串行外围设备接口，是一种高速的、全双工、同步的通信总线，并且在芯片的管脚上只占用四根线，节约了芯片的管脚，同时为 PCB 的布局上节省空间，提供方便。该接口一般使用 4 条线：串行时钟线（SCK）、主机输入/ 从机输出数据线 MISO、主机输出/从机输入数据线 MOSI 和低电平有效的从机选择线 SS（有的 SPI 接口芯片带有中断信号线 INT 或 INT、有的 SPI 接口芯片没有主机输出/从机输入数据线 MOSI）
19、。SPI 的工作模式有两种：主模式和从模式，无论那种模式，都支持 3Mbit/s 的速率，并且还具有传输完成标志和写冲突保护标志。6SPI 总线时序格式如下图 2-2：图 2-2 SPI 总线时序格式2.1.4无线模块的工作模式nRF2401 工作模式有四种：其中收发模式收发模式有 Enhanced ShockBurstTM 收发模式、ShockBurstTM 收发模式和直接收发模式三种，第四种模式为掉电等待模式。收发模式由器件配置字决定，由于篇幅所限这里只介绍将 Enhanced ShockBurstTM 收发模式及其配置和应用。Enhanced ShockBurstTM收发模式下，使用片内
20、的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。Enhanced ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。Enhanced ShockBurstTM发射流程：(1). 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF24L01。(2). 配置CONFIG寄存器，使之进入发送模式。7(3). 微控制器把CE置高（至少10us）
21、，激发nRF24L01进行Enhanced ShockBurstTM发射。(4).N24L01的Enhanced ShockBurstTM发射 a. 给射频前端供电 b.射频数据打包(加字头、CRC校验码) c. 高速发射数据包 d.发射完成，nRF24L01进入空闲状态。Enhanced ShockBurstTM接收流程：(1). 配置本机地址和要接收的数据包大小；(2). 配置CONFIG寄存器，使之进入接收模式，把CE置高；(3). 130us后，nRF24L01进入监视状态，等待数据包的到来；(4).当接收到正确的数据包(正确的地址和CRC校验码)，nRF2401自动把字头、地址和CR
22、C校验位移去；(5). nRF24L01通过把STATUS寄存器的RX_DR置位(STATUS一般引起微控制器中断)通知微控制器；(6). 微控制器把数据从NewMsg_RF2401 读出；(7). 所有数据读取完毕后，可以清除STATUS寄存器。nRF2401可以进入四种主要的模式之一。2.1.5 配置无线模块实现点对点的通信首先，参照附录硬件电路，并根据SPI总线的时序格式写出SPI读写函数见附录1。之后，即可利用上述SPI读写函数，根据附录6中的单片机硬件电路和2.1.4节中的收发流程，以及附录5nRF2401 寄存器及命令，对 nRF2401进行配置，配置函数名称为void congfig_2401()函数体见附录2。 最后，即可通过下面两个函数方便的实现指定字节数，和指定地址的发送与接收。发送函数为：fasong(uchar *f,uchar *s)，其中的指针f，s分别为发送数据的首地址，和目的地址的首地址。接收函数为：jieshou(uchar *f,uchar *s),指针f，s分别为存放数据缓冲区和接收地址。发送函数和接收函数体见附录3。通过软件对不同的nRF2401 分配不同的地址，至此，用发送和接收函数即可进行点到点自由通信。
