基于nRF905模塊和C8051F單片機的無線收發(fā)系統(tǒng)設計
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在閉環(huán)鉆井系統(tǒng)中，要求實時地把井下的信息傳遞到地面，以實施人工監(jiān)控。通常情況下該任務由MWD中泥漿壓力脈沖發(fā)生器來完成。當使用井下動力鉆具組合時，近鉆頭傳感器和MWD被動力鉆具隔開。傳感器無法用線纜與MWD連接，因此要把傳感器的信息傳送給MWD只能通過無線通信的方法。
本文設計了由C8051F0606單片機和nRF905無線射頻器收發(fā)組成的一種無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的方案。該系統(tǒng)由發(fā)射和接收模塊組成，發(fā)射模塊主要將要發(fā)送的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后，通過nRF905發(fā)送出去；在接收模塊中，nRF905則將數(shù)據(jù)正確接收后通過上位機界面顯示出來，從而實現(xiàn)短距離井下的無線通信。
無線收發(fā)系統(tǒng)硬件設計
nRF905模塊簡介
nRF905是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9 V~3.6 V，工作于433MHz、868MHz、915MHz 3個ISM頻段，頻道轉換時間小于650μs，最大數(shù)據(jù)速率為100 kbit/s。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和GFSK調(diào)制器組成。
nRF905 模塊的高頻頭用戶接口電路管腳圖如圖1所示。
圖1 nRF905模塊的高頻頭用戶接口電路管腳
nRF905模塊具有兩種工作模式和兩種節(jié)電模式。工作模式包括：ShockBurst 接收模式和ShockBurst 發(fā)射模式；節(jié)電模式包括：掉電與 SPI 編程模式、待機與SPI編程模式。
系統(tǒng)硬件設計
本無線收發(fā)電路主要由C8051F060單片機和無線射頻芯片nRF905組成。系統(tǒng)方框圖如圖2所示。
圖2 無線收發(fā)電路系統(tǒng)組成框圖
C8051F350是Silabs公司的一款精確混合信號單片機，片內(nèi)有8通道16bit的S-D型ADC、128倍PGA、電流型DAC以及VREF等模擬外設，可以方便地與溫度壓力等傳感器直接連接。使用電流型DAC對傳感器進行激勵，傳感器的輸出信號經(jīng)片內(nèi)128倍PGA放大后進行A/D轉換，無需額外的信號調(diào)理電路。片內(nèi)8K FLASH，可在線編程和改寫，傳感器的標定參數(shù)可以在FLASH中存儲，節(jié)省片外存儲器。圖3為系統(tǒng)硬件電路圖。
圖3 nRF905與MCU的電路原理圖
軟件設計
本系統(tǒng)中的無線數(shù)據(jù)傳輸主要由無線數(shù)據(jù)收發(fā)器nRF905、C8051F單片機和顯示部分組成。nRF905收發(fā)器與單片機之間通過SPI口進行通信。因此，軟件設計過程中的重點是nRF905數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程。
nRF905的數(shù)據(jù)發(fā)送過程
發(fā)送數(shù)據(jù)時的工作流程如圖4所示。當MCU有遙控數(shù)據(jù)節(jié)點時，接收點的地址 (TX- address) 和有效數(shù)據(jù) (Tx- payload) 將通過SPI接口傳送給nRF905。設計時應使用協(xié)議或MCU來設置接口速度。可用MCU設置TRX-CE，并使TX- EN為高電平來激活nRF905的ShockBurst傳輸。通過nRF905的ShockBurst可使無線系統(tǒng)自動上電，并完成數(shù)據(jù)包 (應加前導碼和CRC校驗碼) 的數(shù)據(jù)碼發(fā)送。
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