王紅萍

（中國人民解放軍91550部隊89分隊 大連 116023）

0 引言

現(xiàn)行市場上的LED屏，采用異步串口、TCP/IP接口等有線和GPRS無線進行通信。對于裝修計劃中的LED屏，即使提前布線或預留線纜空間，在線纜損壞或調試LED屏還是有諸多不利條件。技術成熟的GPRS無線模塊，價格昂貴，不適用于大眾場合。針對普遍使用的串口通信控制的LED屏，本文介紹了采用nRF905芯片為核心的硬件電路，論述了無線通信系統(tǒng)中的功耗估計、速率適配、串口與無線的通信協(xié)議設計和嵌入式單片機的軟件設計，實現(xiàn)單片機控制串口的無線通信。

1 硬件設計

1.1 硬件總體框圖

硬件框圖如圖1和圖2所示。圖1為上位機框圖，電路板上的單片機收到計算機發(fā)來的控制數(shù)據(jù)通過無線模塊轉發(fā)。圖2為下位機框圖，單片機將無線模塊收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)給LED屏的電路控制板。LED屏回復數(shù)據(jù)的傳輸方向正好相反。

圖1 上位機框圖

圖2 下位機框圖

采用ProtelDXP繪制電路原理圖和雙面PCB板，使用JTAG mk II在AVR Studio4下編寫基于單片機的嵌入式軟件，采用GCC編譯器進行編譯連接。

1.2 電路設計

A）單片機Atmega16A

采用芯片LM1117將DC 9V穩(wěn)壓到3.3V，對單片機Atmega16A、芯片nRF905、芯片Max3232供電。串口通信采用芯片Max3232進行邏輯電平的轉換。

系統(tǒng)采用高性能、低功耗的8位AVR微處理器Atmega16A單片機。該單片機具有16K字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash、512字節(jié)的EEPROM和1K字節(jié)的SRAM，供嵌入式軟件使用；在線調試的JTAG端口，豐富了系統(tǒng)的調試手段；獨立的定時器和可編程的串口，加強了系統(tǒng)的功能。單片機Atmega16A上的SPI接口，保證了無線芯片nRF905的無縫連接。

B）無線芯片nRF905

NORDIC公司的無線芯片nRF905采用高效的GFSK調制，使用開放的ISM頻段，工作速率可達50K bps，收發(fā)模式切換時間短，功耗低，內置硬件CRC校驗和點對多點的通信地址控制，這些優(yōu)點特別適合工業(yè)控制場合。

2 軟件設計

2.1 通信協(xié)議

A）串口通信協(xié)議

設計串口通信協(xié)議：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，“空格”校驗位，1位停止位；

B）數(shù)據(jù)通信協(xié)議

設計串口發(fā)送數(shù)據(jù)的通信協(xié)議：串口發(fā)送數(shù)據(jù)的第一個字節(jié)和第二個字節(jié)是0xF6、0x5A，作為包頭，第三個字節(jié)和第四個字節(jié)為數(shù)據(jù)長度的一半，數(shù)據(jù)最后的兩個字節(jié)為校驗字節(jié)，數(shù)據(jù)的倒數(shù)第三字節(jié)和第四字節(jié)為無線發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)。LED屏控制卡回復數(shù)據(jù)為四個字節(jié)，第一個字節(jié)和第二個字節(jié)為為發(fā)送數(shù)據(jù)的前兩個字節(jié)，后兩個字節(jié)為發(fā)送數(shù)據(jù)次數(shù)。

C）無線收發(fā)數(shù)據(jù)協(xié)議

無線通信的數(shù)據(jù)采取分包發(fā)送的機制。無線通信協(xié)議設計：第一個字節(jié)為包頭0xF6，第二個字節(jié)為數(shù)據(jù)的長度，此字節(jié)的首位置1，此包數(shù)據(jù)為最后一包，此字節(jié)的首位置0，此包數(shù)據(jù)非最后一包。由于無線芯片一包最大發(fā)送或接收字節(jié)數(shù)32字節(jié)，所以最大數(shù)據(jù)包長度為30個字節(jié)。大于30個字節(jié)的數(shù)據(jù)，分包發(fā)送。

2.2 基于狀態(tài)機的嵌入式軟件設計

2.2.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要包括：端口、串口、SPI總線、無線芯片、定時器和鏈表。狀態(tài)機的初始化包括：初始狀態(tài)、各個狀態(tài)的初始條件等。根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的流程，設計狀態(tài)機的5種狀態(tài)：待機狀態(tài) ST_STAND_BY、串口接收狀態(tài)（PC端） ST_UART_RECV、無線接收狀態(tài)（LED屏端）ST_WAVE_RECV、串口等待狀態(tài)（LED屏端）ST_UART_WAIT，以及無線等待狀態(tài)（PC端）ST_WAVE_WAIT。

2.2.2 狀態(tài)機的狀態(tài)觸發(fā)與轉換

上位機在中斷中接收PC發(fā)送的控制數(shù)據(jù)，存儲在循環(huán)鏈表中，通過無線芯片分包發(fā)送；上位機查詢無線芯片接收回復數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)給PC上的控制軟件；上位機狀態(tài)觸發(fā)與轉換關系關系如圖3所示。

圖3 上位機狀態(tài)觸發(fā)與轉換關系關系

下位機查詢接收無線模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過串口轉發(fā)給LED屏控制卡；LED屏控制卡的回復數(shù)據(jù)，下位機在中斷中接收，通過無線發(fā)送；下位機狀態(tài)觸發(fā)與轉換關系如圖4所示。圖3和圖4共同完成一次數(shù)據(jù)應答。

圖4 下位機狀態(tài)觸發(fā)與轉換關系

2.2.3 定時器的數(shù)據(jù)收發(fā)檢測

A）串口接收數(shù)據(jù)完的檢測

串口的數(shù)據(jù)接收是在中斷中完成的，因此在中斷中對定時器置數(shù)，中斷外面減數(shù)。波特率為9600 bps時，中斷間隔小于1 ms。設置定時器的時長1.5 ms，如果超過此時長，則意味著串口數(shù)據(jù)接收完成。

B)無線發(fā)送接收數(shù)據(jù)的檢測

嵌入式程序中多處用到無線收發(fā)數(shù)據(jù)的定時器檢測，根據(jù)應用場合，選擇定時器的時長。

3 測試方案與數(shù)據(jù)

3.1 測試方案

板卡測試分為無線發(fā)送數(shù)據(jù)部分測試、無線接收部分測試及無線測試。無線發(fā)送數(shù)據(jù)測試部分：采用工具軟件串口監(jiān)視助手監(jiān)視上位機軟件通過串口發(fā)送給無線部分的數(shù)據(jù)，在嵌入式程序調試中，利用芯片Max3232的多通道，無線發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過串口送回上位機，串口監(jiān)視助手監(jiān)視無線發(fā)送的數(shù)據(jù)。無線接收部分測試：無線部分收到數(shù)據(jù)后，利用芯片Max3232的多通道，將收到的數(shù)據(jù)送回上位機，同樣利用串口監(jiān)視助手監(jiān)視無線接收的數(shù)據(jù)。

無線測試利用雙串口的計算機，一個串口連接發(fā)送數(shù)據(jù)的板卡，另外一個串口連接接收數(shù)據(jù)板卡，利用串口調試助手分別監(jiān)視兩路串口，完成無線部分的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收調試。

3.2 測試數(shù)據(jù)

LED屏的無線發(fā)送與接收測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 無線發(fā)送與接收測試數(shù)據(jù)表

上位機與LED屏的通信，每次先握手再交換數(shù)據(jù)，初次連接只進行握手。表1中，總字節(jié)長度表中采用十進制數(shù)，數(shù)據(jù)包的長度采用十六進制數(shù)。表1中的數(shù)據(jù)內容與數(shù)據(jù)格式：包頭、數(shù)據(jù)產(chǎn)度、數(shù)據(jù)及奇偶校驗等，滿足數(shù)據(jù)通信協(xié)議要求。

4 結束語

本文對采用芯片nRF905進行LED屏的無線通信進行了論證，從通信速率和功耗兩個方面分析了技術可行性，設計了串口通信協(xié)議、數(shù)據(jù)包協(xié)議和無線通信協(xié)議、論述了基于狀態(tài)機的嵌入式軟件設計，實現(xiàn)了系統(tǒng)預想功能。

[1]馬潮. AVR單片機嵌入式系統(tǒng)原理與應用實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.

[2]NORDIC SEMICONDUCTOR.Single chip 433/868/915 MHz Transceiver nRF905 PRODUCT SPECIFICATION[A].NORDIC SEMICONDUCTOR,2006.

[3]張臘明,佟宇.狀態(tài)機技術在數(shù)據(jù)通訊協(xié)議棧中的編程應用[J].現(xiàn)代電子技術,2008(3):146-148.

[4]陳小琴,蔣存波,金紅.狀態(tài)機原理在控制程序設計中的應用[J].制造業(yè)自動化,2007,29(10):57-60.

[5]管庶安.單片機程序的狀態(tài)機模型[J].武漢工業(yè)學院學報,2004,23(2):1-2.

[6]楊杰,周蘭蘭.單片機系統(tǒng)非正常復位的判斷與處理[J].電子測試,2009(11): 85-88.

[7]陳敏,孟立凡,王華斌.基于NRF905的無線多點溫度測量系統(tǒng)[J].電子測試,2011(4):105-108.

[8]胡漢才.單片微機原理及其接口技術[M].北京:清華大學出版社,2003.