前言

在閉環(huán)鉆井系統(tǒng)中，要求實(shí)時(shí)地把井下的信息傳遞到地面，以實(shí)施人工監(jiān)控。通常情況下該任務(wù)由MWD中泥漿壓力脈沖發(fā)生器來完成。當(dāng)使用井下動(dòng)力鉆具組合時(shí)，近鉆頭傳感器和MWD被動(dòng)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(shè)計(jì)了由C8051F0606單片機(jī)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(jī)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(jī)界面顯示出來，從而實(shí)現(xiàn)短距離井下的無線通信。

無線收發(fā)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(gè)ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時(shí)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(jī)與SPI編程模式。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本無線收發(fā)電路主要由C8051F060單片機(jī)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(jī)，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(shè)，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(jìn)行激勵(lì)，傳感器的輸出信號經(jīng)片內(nèi)128倍PGA放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(biāo)定參數(shù)可以在FLASH中存儲(chǔ)，節(jié)省片外存儲(chǔ)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(shè)計(jì)

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(jī)和顯示部分組成。nRF905收發(fā)器與單片機(jī)之間通過SPI口進(jìn)行通信。因此，軟件設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)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(shí)的工作流程如圖4所示。當(dāng)MCU有遙控?cái)?shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，接收點(diǎn)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(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使用協(xié)議或MCU來設(shè)置接口速度?？捎肕CU設(shè)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(dòng)上電，并完成數(shù)據(jù)包 (應(yīng)加前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼) 的數(shù)據(jù)碼發(fā)送。