單片機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 才能成為一個(gè)最簡單的無線通信系統(tǒng)， C8051F310 單片機(jī)可通過 SPI 接口控制 CC1100 的主要操作參數(shù)，并同 CC1100進(jìn)行通信， SPI 標(biāo)準(zhǔn)接口包括 MOSI、 MISO、 CLK。主機(jī)用 CLK 與從機(jī)時(shí)鐘同步。 CC1100可以通過 SPI 總線設(shè)置芯片的工作 模式，并實(shí)現(xiàn)讀寫緩存數(shù)據(jù)、讀寫狀態(tài)寄存器等功能。通過控制 FIFO 和 FIFOP 引腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射或者接收緩存器，這樣通過 SPI 接口，就將單片機(jī)和射頻芯片連接了一起，成為了一個(gè)可以自由控制收發(fā)的無線通信系統(tǒng)。 CC1100內(nèi)部有大量寄存器需要用 CPU進(jìn)行操作和配置，這樣 CC1100模塊才能進(jìn)行正常的收發(fā)。而 CC1100模塊與 CPU是采用 SPI口進(jìn)行通信的，所以只需要把 CC1100的SPI口和另外一條狀態(tài)引腳與 CPU相連即可對 CC1100進(jìn)行控制。只需將 CC1100的 SPI口接到 CPU的任意 4個(gè)引腳上即可，但最好能接在 CPU的硬件 SPI口上。另外，再將 CC1100的 GDO0或 GD02也接在 CPU的任意引腳上。如果想要用中斷處理收發(fā)數(shù)據(jù)或是想做無線喚醒的話，這個(gè)引腳也必須接在 CPU的外部中斷引腳上。如圖 31所示。 圖 31 硬件連接 在畫電路圖時(shí)，將 C8051F310的 、 、 SCK、 MISO、 MOSI與CC1100的相應(yīng)引腳相連。定義 INT0，與 CC1100的 GDO口連接。因當(dāng) CSn為高時(shí)為可選的一般輸出腳，則可在軟件程序中設(shè) CSn為高電平，將這個(gè)引腳連到 C8051F310的任意引腳上。 在主機(jī)模塊中， CPU控制無線模塊接受數(shù)據(jù)。而使用 CC1100需要少量的外部元件。如圖 32 所示。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明 書 （ 2021） 11 R1 是偏阻器，用來設(shè)置一個(gè)精確的偏電流。 C5, C4, L3 和 L4 形成一個(gè)平衡轉(zhuǎn)換器，用以將 CC1100 上的微分 RF 端口轉(zhuǎn)換成單端 RF 信號（ C6 也用在直流模塊上）。同一個(gè)合適 LC網(wǎng)絡(luò)一起，平衡轉(zhuǎn)換器元件也將阻抗轉(zhuǎn)換以匹配 50 歐的天線（或電纜）。晶體振蕩器使用一個(gè)帶 2個(gè)負(fù)載電容（ C8 和 C7）的外部晶體。附加外部元件能用來改進(jìn)特殊應(yīng)用中的性能能量供給 必須在靠近供給引腳處恰當(dāng)?shù)赝笋睢Ｍ笋铍娙萜鞯姆胖眉按笮τ谶_(dá)到最優(yōu)性能是非常重要的。 圖 32 CC1100應(yīng)用電路圖 音符演奏及數(shù)碼顯示 蜂鳴器一般用于一些要求不高的聲音報(bào)警及按鍵操作提示音等場合。蜂鳴器與普通揚(yáng)聲器相比，最重要的一個(gè)特點(diǎn)是，只要按照極性要求加上合適的直流電壓，就可以發(fā)出固有頻率的聲音，因此使用起來比揚(yáng)聲器簡單。由此可知，蜂鳴器的控制與 LED 的控制對單片機(jī)而言是沒有區(qū)別的。硬件電路雖然蜂鳴器的控制和 LED 的控制對于單片機(jī)是一樣的，但在外圍硬件電路上卻有所不同。因?yàn)榉澍Q器是一 個(gè)感性負(fù)載，一般不建議用單片機(jī) I／ O口直接對它進(jìn)行操作，所以最好加一個(gè)驅(qū)動(dòng)三極管，在要求較高的場合還會(huì)加上反相保護(hù)二極管。電路如圖 33所示。 單片機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用設(shè)計(jì) 12 圖 33 蜂鳴器電路 演奏音符的同時(shí)，同時(shí)數(shù)碼管也要顯示相應(yīng)數(shù)字。本設(shè)計(jì)采用 LED數(shù)碼管。 LED 數(shù)碼管是利用多個(gè) LED 組合而成的顯示設(shè)備，可以顯示 0～ 9等 10個(gè)數(shù)字和某些字母，在許多的數(shù)字系統(tǒng)中作為顯示輸出設(shè)備，使用非常廣泛。它的結(jié)構(gòu)是由發(fā)光二極管構(gòu)成的 a、 b、 c、 d、 e、 f和 g七段組成，并由此得名，實(shí)際上每個(gè) LED還有一個(gè)發(fā)光段 dp，一 般用于表示小數(shù)點(diǎn)，所以也有少數(shù)的資料將 LED 稱為八段數(shù)碼管。 LED 內(nèi)部的所有發(fā)光二極管有共陰極接法和共陽極接法兩種：一種是將 LED 內(nèi)部所有二極管陽極接在一起并通過 引腳引出，將每一個(gè)發(fā)光二極管的另一端分別引出到對應(yīng)的引腳，稱之為共陽極 LED 顯示器。如圖 34 所示。 圖 34共陽極數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu) LED 共陽極接法， corn 端接 +5V 電壓，其他引腳端各通過一個(gè)限流電阻接到單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電路端，當(dāng)各段輸入端為邏輯“ 1”，對應(yīng)的 LED 不亮；各段輸入端為邏輯“ 0”時(shí)，對應(yīng) LED 才發(fā)亮。使用時(shí)要根據(jù) LED 正常發(fā)光需要的電流參數(shù)估算限流電阻取值。電阻取值越小，電流大， LED 會(huì)更亮，但要注意長時(shí)間過熱使用會(huì)燒壞 LED。 LED用于顯示數(shù)字、字母或符號時(shí)，必須將要顯示的內(nèi)容轉(zhuǎn)換為 LED 對應(yīng)七段碼的信息，共陰和共陽結(jié)構(gòu)的 LED 顯示器各筆劃段名和安排位置是相同的。當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)，相應(yīng)的筆劃段發(fā)亮，即通過點(diǎn)亮不同的 LED 字段，可顯示數(shù)字 0， 1，?， 9和 A，b， C， d， E， F 等不同的字符及自定義的一些簡單符號。 8個(gè)筆劃段 dp g f e d c b a 對應(yīng)于一個(gè)字節(jié) (8 位 )的 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 DO，于是用 8位二進(jìn)制碼就可以表示要顯示字符的字形代碼。 鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明 書 （ 2021） 13 在本次設(shè)計(jì)中運(yùn)用 74HC595 驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。 74HC595 是硅結(jié)構(gòu)的 CMOS 器件， 兼容低電壓 TTL 電路，遵守 JEDEC 標(biāo)準(zhǔn)。 74HC595 內(nèi)含 8 位串入、串 / 并出移位寄存器和 8位三態(tài)輸出鎖存器。寄存器和鎖存器分別有各自的時(shí)鐘輸入 (SCLK 和 SLCK) , 都是上升沿有效。當(dāng) SCLK 從低到高電平跳變時(shí) , 串行輸入數(shù)據(jù) (SDA) 移入寄存器 。 當(dāng)SLCK 從低到高電平跳變時(shí) , 寄存器的數(shù)據(jù)置入鎖存器。清除端 (CLR) 的低電平只對寄存器復(fù)位 (QS 為低電平 ) , 而對鎖存器無影響。當(dāng)輸出允許控制 (EN) 為高電平時(shí) , 并行輸出 (Q0～ Q7) 為高阻態(tài) , 而串行輸出 (QS) 不受影響。用 74HC595 芯片驅(qū)動(dòng)LED 有以下特點(diǎn) : 速度較快 , 功耗較小 , LED 的數(shù)目多少隨意 , 既可以控制共陰極的 LED 顯示器 , 也可以控制共陽極的 LED 顯示器 , 可以軟件控制 LED 的亮度 , 還可以在必要的時(shí)候關(guān)斷顯示 (數(shù)據(jù)保留 ) , 以減小功耗 , 并可隨時(shí)喚醒顯示。用它設(shè)計(jì)的電路 , 不僅軟硬件設(shè)計(jì)簡單 , 而且功耗低 , 驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) , 占用的 I/ O 口線較少 , 是一種造價(jià)低廉 , 應(yīng)用靈活的設(shè)計(jì)方案。電路圖如圖 35 所示。 單片機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用設(shè)計(jì) 14 圖 35 數(shù)碼管顯示電路 遙控器模塊 遙控器硬件由 CPU、無線模塊和按鍵組成，用來控制主板的 LED。遙控器采用電池供電。 本設(shè)計(jì)共有四個(gè)按鍵，每個(gè)按鍵分別接到單片機(jī)的 I/O 口，利用單片機(jī)I/O 口讀取的電平高低來判斷是否有鍵按下。對按鍵的處理的時(shí)候涉及到一個(gè)重要的過程，就是按鍵的去抖動(dòng)，這里說的抖動(dòng)時(shí)機(jī)械的抖動(dòng)，是當(dāng)按鍵在未按到的臨界區(qū)產(chǎn)生的電平不穩(wěn)定正常現(xiàn)象。目前的技術(shù)有硬件 去抖動(dòng)和軟件去抖動(dòng)。硬件區(qū)抖動(dòng)就是用部分電路對抖動(dòng)部分加之處理，軟件去抖動(dòng)不是去掉抖動(dòng)，是避開抖動(dòng)部分的時(shí)間，等按鍵穩(wěn)定了再對其處理。電路圖如附錄 3所示。 在遙控器模塊中， CPU 控制無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)，原理與上述接受數(shù)據(jù)類似，在此不重述。 電源模塊 電路所需的電源主要是 +5V 電源 ,原理圖如圖 36 所示。 圖 36電源原理圖 其中我們采用 78L05 穩(wěn)壓塊來產(chǎn)生穩(wěn)定的 5V 電壓，電容的主要作用是濾除直流電壓中的交流信號，使得電路能夠輸出穩(wěn)定的直流電壓。 78L05 具有： 三端集成穩(wěn)壓電源內(nèi)部由 基準(zhǔn)電壓回路、恒流源、過流保護(hù)、過壓保護(hù)和短路保護(hù)回路等 8 部分組成，具有低功耗，高效率，紋波系數(shù)小，輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。 4 軟件設(shè)計(jì) 初始化配置 在使用 CC1100做無線通信時(shí)，首先需要對它做一系列的配置，這樣才能讓 CC1100正常工作。要開始這項(xiàng)配置，就必須調(diào)用一個(gè)頭文件 ，而這個(gè)頭文件是在開發(fā)文具中無法找到的，因而得自己定義它，這個(gè)頭文件的作用是將一些特殊的操作碼、指令或者是特殊的表達(dá)式等用比較容易記的助記符來表示，這樣既提高了程鹽城工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)說明 書 （ 2021） 15 序的直觀性也提高了可讀性。在整個(gè)初始化定義中，可以 看到幾乎包含了 CC1100 所有的寄存器，這樣做的目的是方便對 CC1100 寄存器進(jìn)行配置，并實(shí)現(xiàn)需要的功能。在頭文件的定義結(jié)束處有一些外部函數(shù)定義，這部分的功能是告訴現(xiàn)在正在使用的文件這部分函數(shù)是已經(jīng)存在的函數(shù)，在其他文件中可以直接調(diào)用這部分函數(shù)完成相應(yīng)的功能，而不需要再次定義。完成了將實(shí)際地址轉(zhuǎn)換成助記符的形式，就可以對這一部分寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入操作。為此，在 CC1100 程序源文件中加入了一個(gè)初始化數(shù)據(jù)定義。 完成對整個(gè)程序的初始化定義，接下來就是對 CC1100 進(jìn)行初始化配置。 CPU 利用 SPI 接口讀、寫 CC1100 的寄存器。配置函數(shù)主要是調(diào)用 halSpiWriteReg()函數(shù)對CC1100 的每個(gè)狀態(tài)寄存器進(jìn)行配置。而 halSpiWriteReg()函數(shù)的作用是通過 SPI 端口對 CC1100 的寄存器進(jìn)行單一寫，單片機(jī)通過 SPI寫寄存器的時(shí)候，必須先寫寄存器的地址，然后再往該地址中寫入數(shù)據(jù)，最后 CC1100 根據(jù)寄存器中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)執(zhí)行相應(yīng)的操作。 程序執(zhí)行過程：首先程序使 Csn 位為低，使 CC1100 進(jìn)入 SPI 模式，然后調(diào)用 SPI輸入函數(shù)往 CC1100 中寫入地址信息，之后再次調(diào)用 SPI 寫操作往該地址的寄存器中寫入數(shù) 據(jù)，最后使 Csn 位為高，關(guān)閉 CC1100 的 SPI模式。 程序清單 41： void halSpiWriteBurstReg(unsigned char addr,unsigned char *buffer,unsigned char count) ｛ unsigned char i,temp。 temp = addr / WRITE_BURST。 CS_CC1100 = 0。 while (GDO0)。 SpiReadWrite(temp)。 for (i=0。icount。i++) {SpiReadWrite(buffer[i])。 } CS_CC1100 = 1。 ｝ 有程序知，通過設(shè)置 CC1100中的一個(gè)連續(xù)寫寄存器后，就可以通過 SPI端口對 CC1100進(jìn)行連續(xù)寫入。接下來的函數(shù)是對 CC1100 進(jìn)行命令輸入，在配置 CC1100 的命令寄存器時(shí)，只需要輸入一個(gè)字節(jié)的命令即可完成對 CC1100 的一個(gè)寄存器的配置。 程序清單 42： void halSpiStrobe(unsigned char strobe) ｛ CS_CC1100 = 0。 while (GDO0)。 SpiReadWrite(strobe)。 //寫入命令 單片機(jī)無線數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用設(shè)計(jì) 16 CS_CC1100 = 1。 ｝ CC1100 內(nèi)部的寄存器上電后需進(jìn)行初始化或是重新配置，如設(shè)定其頻率、通道、通信速率等。這些寄存器配置只需要從 SPI 口輸入即可。程序見附錄。 收發(fā)數(shù)據(jù) CC1100 芯片接收時(shí)，天線接收的射頻信號經(jīng)過低噪聲放大器和 I/Q 下變頻處理，混合 I/Q 信號再經(jīng)過濾波、放大、 A/D變換和自動(dòng)增益控制、數(shù)字調(diào)解和擴(kuò)頻，最終恢復(fù)出傳輸?shù)恼_數(shù)據(jù)，發(fā)射時(shí)，要發(fā)送的數(shù)據(jù)先被送入發(fā)送緩存器，根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)， 經(jīng)過擴(kuò)頻和 A/D 變換后，經(jīng)過低通濾波和上變頻的混頻后的射頻信號最終被調(diào)制到需要的頻段，并經(jīng)放大后送到天線發(fā)射出去。 CC1100 具有 3種狀態(tài)： IDEL(待機(jī) )、 RX（接收）、 TX（發(fā)送）。 狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換如圖 41 所示。 圖 41 CC1100狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 作為微控制器的 C8051F310 單片機(jī)除了完成基本的芯片初始化工作、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收之外，還需要根據(jù)需要在 CC1100 的引腳產(chǎn)生中斷，并由所編寫的中斷管理程序進(jìn)行狀態(tài)檢測以及切換，并執(zhí)行相應(yīng)的中斷操作，使得無線通信可以在發(fā)射 和接收以及待機(jī)之間轉(zhuǎn)換。 CC1100 發(fā)送數(shù)據(jù) ,首先從 SPI 口寫入要發(fā)送數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)，然后寫入想要發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后再寫入發(fā)送使能命令， CCll00 便開始發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到 GD02 產(chǎn)生上個(gè)高低電平的脈沖后，即發(fā)送成功。如果在一定時(shí)問內(nèi)， GD02 上沒有任何動(dòng)作，表示發(fā)送失敗。發(fā)送完成之后，我們就把 CC1100 發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)清除掉。程序見附錄。 CC1100 接收數(shù)據(jù)，首先讓 CC1100 進(jìn)入接收狀態(tài)，如果在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)我們收到了一組數(shù)據(jù)， GDO2 上面就可以檢測到一個(gè)高低電平的脈沖。此時(shí)，讀出 CC1100 接收數(shù)據(jù)緩 沖的第 1 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這個(gè)數(shù)據(jù)就是現(xiàn)在 CC1100 接收到的數(shù)據(jù)長度。如果鹽城工學(xué)院