基于nRF401的多点通用无线数据采集系统设计

在实际控制系统中，有时需要测量多点数据并进行汇总，传统的通信方式是采用固定的点与点之间的有线通信，即使采用RS485总线或CAN总线进行数据传输，也需要将各点用网线连接起来，这样造成施工麻烦且成本增加，有时因场地原因而无法布线。一种基于nRF401无线收发芯片的多点无线通用数据采集系统，可有效地解决这一问题。

1系统组成
系统分为三大部分，如图1。

(1)主控机。位于整个系统的最上层，主要负责控制和管理整个系统中的所有通信及对收集到的各个节点的数据进行处理。采用PC机作为主控机，利用CAN总线连接多个数据控制器。
(2)数据控制器。将无线通信终端与主控机连接在一起。对附近的无线终端采用无线信道通信；对主控机采用CAN总线通过RS232转接板与之相连。
(3)终端节点。为一个无线数据收发器，采用中断方式。当收到上层数据控制器的查询请求时，对其作出回应，然后返回终端节点的状态。

2 系统的硬件选择及设计
2.1 主控机与数据控制器之间的网络连接模块
根据系统的要求，考虑到工业干扰比较严重，主控机与数据控制器之间的网络连接采用CAN 工业总线标准。考虑到与原有的设备的兼容，降低设备的成本，各个设备仍沿用原有的RS.232/485体系的通信接口，所以这里需要使用CAN 总线与RS232接口的转接板来实现设备之间的CAN总线互连。整个转接板系统分为RS232接口转换电路、主控制器和CAN 控制器节点三部分。其接口转换电路如图2所示。

RS232接口转换电路由MAX232芯片构成，负责将单片机串口的TTL电平转换为RS232电平。其中R1out和T1in引脚接单片机的RXD 引脚和TXD引脚。R1in和T1out作为RS232接口输出连接标准DB9接口的引脚2和引脚3.

2.2 数据控制器模块
在系统中，数据控制器模块主要负责两方面的工作，一是通过CAN总线与主控机PC交换数据，二是实时监测终端节点的数据。由于无线通信部分使用的nRF401芯片使用串口与单片机相连，而连接RS232总线也要占用一个串口，因此数据控制器至少需要两个串口。设计中选用了Winbond公司的w77E58单片机作为该部分的主控芯片。
W77E58片内含有两个增强型串口和32 KB大容量Flash存储器。指令集与51系列单片机完全兼容，提供4个8位的I/O口，3个16位的计数器以及全双工的串口和中断源，其最高工作频率可达40MHz，12个内外部中断，两级优先级，可以适应更多的需求。32 KB的E2PROM，为设计者提供了更大的片内程序存储空间。这些特性使得W77E58非常适合在智能化监控系统中使用。
W77E58的串口0通过RS232/CAN 总线与主控制器相连，串口1连接nRF401通信模块，使用无线通信与各个无线终端节点通信，将各个终端采集到的数据汇总到控制单片机。电路结构如图3.

2.2.1 射频收发芯片nRF401
系统中的无线通信部分，选用了Nordic公司的单芯片nRF401无线通信芯片，通过其外部引脚，可以使芯片随时在发送模式和接收模式之间切换，无需进行任何初始化设置。该芯片工作于433 MHzISM (工业、科研和医疗)频带上，芯片本身具有频移键控(FSK)的调制、解调、数据不需要编码、可直接发送、多频道切换的功能，并具有性能优异、功耗低、使用方便等特点。nRF401芯片所需的外围元件很少，只需一个基准晶振和几个无源元件，无需调试，可以很方便地应用到系统中。芯片nRF401的最高数据传输率可以达到20 Kbit/s，最大发射功率可达+10 dBm，在开阔地的作用距离最远可达1000 m，完全适合本系统的设计要求。
2.2.2 nRF401天线设计与外部连接
nRF401的外部连接包括外接天线、参考晶振、PLL环路滤波器、VCO电感和RF偏压电阻几个部分，如图4所示。

2.3 终端节点模块
终端节点部分分布于应用环境的各个位置，其一般要求为体积小、功耗较低，且使用量较大，故应选用廉价的处理器，以降低整个系统的成本。因此，选用低成本、低功耗的51兼容单片机AT89S52作为终端节点的控制器。AT89S52是一个通用的低功耗、高速8位CMOS单片机，其功能函数和管脚定义都和工业标准的80C51兼容。它提供了8 KB的E2PROM，256 Kbit片内RAM、32个I/O口、看门狗时钟电路、2个数据指针、3个16位的计数器、9个中断源、3个优先级和一个全双工的HART串口。
终端节点控制器主要完成两方面的工作，一是通过I/O接口读取外部设备的状态信息；二是通过无线接口响应上层控制器发送的查寻请求，回送当前的状态信息。因此，设计中将单片机的串口与nRF401通信模块相连，其P1.0、P1.1和P1.2依次连接到nRF401的控制端CS、PWR _UP 和 TXEN .外部信号通过光电耦合器件分别连接到P1.5、P1.6、P1.7和INT1引脚，其电路如图5.

3 系统的软件设计
其主要部分为数据采集器和终端节点两大部分的设计。
数据采集器模块的软件设计主要有程序初始化部分、RS232通信部分和无线通信部分。由于无线通信的特殊性，外部干扰使得误码率较高，因此在软件设计上应确保通信的可靠性。而nRF401灵敏度又较高，在没有接收到信号时，也会有随机数据输出，因此，软件设计首先要保证能够识别噪声和有效数据，其通信中使用的通信协议的设计就显得十分重要。设计中采用如下规则通信：
数据发送使用查询方式，接收使用中断方式；
数据帧包含帧首、帧尾、地址、数据及校验部分，帧首采用双字节0x55AA，帧尾使用0x01结束：
地址是用双字节地址，共16 bit，地址分配上，各个端点的地址不相连，使其保持一定的容错性；