摘  要: 介绍了基于nRF401无线收发芯片的PC机串口通信模块和PC机ISA插槽通信模块的设计思路和实现方法。通过该两种模块可以方便地实现PC机数字信号的载频传播,使计算机之间的无线数据传输成为可能。 

　　关键词: 无线收发  nRF401  串口  ISA  ActiveX 

　　很多PC机应用系统需要增加无线数据传输功能。本文基于挪威NORDIC公司最新推出的单片无线收发一体芯片nRF401,设计出两种无线通信模块:具有标准RS232C接口的串口模块和具有标准PC机ISA总线插槽的通信模块。系统由基于nRF401的高频头(UFH)和连接PC机的接收适配器(ADAPTER)两部分组成。 

1 高频头设计 

1.1 主芯片nRF401简介 

　　nRF401是工作于ISM频段(433MHz)的单片无线收发一体芯片。它是目前集成度最高的无线数传产品,20脚双列直插封装。nRF401内部结构如图1所示,其中包含高频接收/发射、PLL合成、FSK调制/解调和双频切换等单元。 

　　该芯片有如下特点:FSK^[5]频移键控(FrequencyShiftKeying)调制方式,直接数据输入输出,抗干扰能力强,特别适合工业场合;采用DSS+PLL频率合成技术,频率稳定性极好;灵敏度高,达到-105dBm;无需曼彻斯特编码;工作速率最高可达20kbit/s;最大发射功率达+10dBm,开阔地的使用距离最远可达1000m;工作在ISM频率433MHz和双信道频率433.92MHz/434.33MHz，使用不需要申请许可证。 

1.2 接口设计  

　　考虑到相互干扰,在本系统中,高频头单独做成一块PCB板。 

　　压控振荡器(VCO)外接22mH高品质因素电感;锁相环(PLL)外接典型单端二阶滤波器;振荡源输入接4MHz晶振;天线设计采用环形差分天线。和通信模块接口的电路采用四脚端口连接。其中,TXEN为发送使能，接低PCB板上的跳线。当接高电平时表明发送模式,反之为接收模式;CS为频率选择,也接PCB跳线,由高低电平选择所使用的频率;PWN_UP为节电模式选择,采用同样处理方式;ANT1/ANT2为天线接口。这样,高频头仅以DOUT、DIN、GND和VCC与通信模块构成接口,使系统调试非常方便。 

2 通信适配器的设计 

　　考虑到PC机应用的具体情况,本文提出了基于标准RS232C端口和基于ISA总线的两种设计思路。为防止高频电路对通信适配模块的干扰,两种情况下,通信适配器均单独设计PCB电路板。 

2.1 RS232方案 

2.1.1 硬件实现 

　　RS232方案如图2所示,采用51系列芯片8052作为主控芯片,外加一片USART8251扩展8052的串行口,使之与PC机和高频头两端都具有通信的能力。其中,8251的RXRDY和TXRDY可以用一片或门相连接至8052的INT0端口(中断方式)或浮空(查询方式)。

　　系统时钟采用7.3728MHz的石英晶振,由8252的ALE、组合产生1.2288MHz的脉冲信号,该信号作为8251的CLK时钟信号,同时利用一片可编程定时/计数器8253进行64分频以产生8251的收发时钟。 

　　在接收板端,高频头接收来自发送高频头的FSK调制电磁波,经过接口送到适配器的8052引脚RXD。运行于查询方式时,系统程序把数据从8052的TXD端向PC机传送,完成一次数据传输;在中断方式时,8251接收到数据后会激活系统中断服务例程并完成同样的操作。发送板端与此类似,只不过经由8052的RXD、8251的TXD直接从高频头发送出去。 

　　在电路图中,8052的P27用来产生8251的片选信号,P26接8253的WR以产生写入数据或命令字的片选信号。本系统编址如下:8251的命令状态端口C=7FFFH,数据端口D=7FFEH;8253的工作方式控制字口为BFF3H,通道1地址为BFF0H。 

　　串行端口RXD/TXD与PC机串口连接时,选用一片MAXIM232芯片作TTL/RS232逻辑电平转换,如图3所示。 

2.1.2 软件及设置 

　　为平衡PC机端和8251端通讯的波特率,统一采用1200bps,设置如下: 

　　可编程定时/计数器8253工作于方式3,即方波发生器方式。工作方式控制字写入36H,采用二进制计数;为达到64分频的目的,在通道1写入40H。 

　　通用同步/异步接收/发送器USART8251工作于异步方式,波特率1200bps，字符长度8位,一个停止位。考虑到系统的低波特率应该能满足传输的可靠性,故不设校验位。方式控制字为4EH,命令指令为15H。 

　　在8051自身串口设置中,采用方式1即8位UART,以T1作为收发时钟。为满足1200bps的传输波特率,经计算得:T1编程为方式2定时状态,即可重载方式,计数常数为F0H。 

　　查询方式通信适配器流程图如图4所示。 

2.2 ISA方案 

　　在应用系统设计中,ISA总线由于其技术成熟性而被广泛应用。下面简单介绍本系统的ISA方案。  

　　在该方案中,微型计算机作为系统中央处理设备,扩展一块UART8251使之具有串口通信的能力;74LS138用于不完全地址译码,译码逻辑电路如图5所示;为避免对ISA总线操作造成影响,加了两片三态门电路74LS245进行总线隔离;在本系统中,去除了8052,仅使用一片USART8251和一片可编程定时/计数器8253,如图5和图6所示。 

　　74LS138的输出脚y0同时选通8251的CS片选引脚和总线隔离芯片74LS245的脚;由于74LS245固有的选通逻辑,使用ISA总线的IOR选通该三态门的DIR端;74LS138的y7脚同时选通8253的WR和另一片74LS245的端;8251的命令数据脚C/D接ISA总线的A0,8253的A0、A1脚接ISA总线的A0、A1。8253的输出通道0和通道1设定8251的收发时钟TXC/RXC和系统时钟CLK。 

3 PC端通信软件设计 

3.1 用8086汇编语言或C语言编制 

　　传统方式的PC端涉及的通信软件一般采用8086汇编语言或C语言提供的端口读写语句来实现,在本系统设计中,也可以这样做。 

　　PC机读写串口其实就是对机内UART8251的操作。在本系统中,为达到1200bps的通信波特率,可对相关寄存器作如下设置:首先在线控制寄存器设置通信波特率,低位端口3F8H设置为60H,高位端口3F9H设置为00H;然后采用查询方式编制软件,先在线状态寄存器查询相关位,再作端口操作。 

　　对ISA总线的访问也是通过端口来操作的,例如在上述译码方案中,端口分配如下:8251命令状态端口为331H,数据端口为330H;8253的通道0为33CH,通道1为33DH,命令口为33FH。只需使用IN或OUT指令进行操作。 

3.2 在可视化环境下操作  

　　微软的可视化平台VB、VC可以很方便地完成上述操作。下面简述在VC中使用ActiveX控件开发PC串行通信程序。 

　　在实际应用中,主要使用MSComm(MircosoftCommunicationControl)控件,它提供了事件驱动和查询两种方法。在事件驱动法中,每当有新字符到达端口,MSComm控件将触发OnComm事件。这样,应用程序可以通过检查MSComm控件的CommEvent属性采取相应的操作,它类似于汇编语言中的中断方式;较小的应用程序可以采用查询法,也就是应用程序不断检查MSComm的CommEvent属性并采取相应操作,它类似于汇编中的查询法。 

　　本文介绍了基于nRF401芯片的PC机无线收发模块的研制,提出了两套具体的应用方案和相应的软件编制方法。对本系统的适当扩展,可以广泛应用于遥控、遥测、无线抄表、门禁系统、工业数据采集、身份辨识和非接触式RF智能卡系统等^[3],具有一定的实践意义。 

参考文献 

1 NRF401 Product Specification. Nordic VLSI ASA,2000，5 

2 黄海荣,田作华. 在VC中用ActiveX控件开发串行通信程序. 电子技术应用,2000;26(6) 

3 单片RF收发芯片nRF401介绍及其应用.哈工大讯通科技,2001(7).www.frequenchina.com. 

4 何立民. 单片机应用系统设计. 北京:北京航空航天大学出版社,1990:391～399