nRF905模塊和SPI介面的點對點無線通信系統

    在某些環境監測、安防警報等環境下，不便進行有線線路的鋪設，而採用無線數據通信方式。採用一般的無線傳輸方式時可能因為環境雜訊大，干擾信號強而導致接收數據的準確性很低。針對這種情況，設計一種低成本、高準確率的無線數據傳輸系統—— 基於PIC16F876的SPI和nRF905模塊的點對點無線通信系統。利用PIC16F876和nRF905模塊直接進行SPI數據交換，時序同步性好，程序編寫簡單。PIC16F876通過相應的I/O口連接到編程器，可直接進行在線調試。鑒於無線通信環境中雜訊大，信號干擾大的特點，採用的nRF905模塊引入自動重發，高抗干擾GFSK調製和最高16位CRC校驗機制，確保了數據傳輸的可靠性。

1 硬體電路規劃
    PIC16F876、nRF905模塊及編程器連接頭J1之間的電路連接，220V一5V電路實現，5V一3V電壓轉換電路如圖1、圖2、圖3所示。
 
圖1 PIC16F876、nRF905模塊及編程器之間的電路連接
① 本系統所用的nRF905模塊系指迅通科技公司的一個nRF905無線通信模塊。此模塊在與單片機P1C16F876相連時，只用了核心晶元nRF905的14個引腳(見圖1)。
 
    在圖1中，單片機PIC16F876輸入 輸出口與nRF905模塊相應介面連接情況：RC7～nRF905模塊時鐘分頻輸出，RC6～nRF905模塊地址匹配輸出AM，RC5～MISO，RC4～MOSI，RC3～ SCK，RC2～CSN，RB7 RB6&RB3～J1編程器連接線，RB5～nRF905模塊數據就緒輸出DR，RB2～PWR，RB1～ TXEN，RB0～ TRX_CE。單片機通過RB7、RB6和RB3與編程器相連，可進行在線編程；由RC5輸出數據到nRF905模塊，由RC4從nRF905模塊輸入數據。由一個4 MHz陶瓷晶體振蕩器為單片機提供時鐘輸入。16F876的工作電壓是4．5～5．5 V，通過圖2中的DBA元件實現從220 V市電到5 V電壓的轉換。由於nRF905模塊的工作電壓是1．9～3．6 V，需從5 V電壓轉換得到一個符合nRF905模塊正常工作的穩定電壓。考慮使用分壓電阻與3 V穩壓管串聯分壓，從穩壓管兩端可得到一個穩定的3 V電壓輸出，如圖3所示。

2 軟體設計
    考慮到nRF905模塊內置完整的通信協議和CRC，軟體設計工作主要集中在如何實現對nRF905模塊的有效初始配置，以及16F876與nRF905模塊之間SPI通信的實現。其中須保證16F876與nRF905模塊時序的一致，並充分考慮nRF905模塊對時序的要求。SPI時序如圖4所示。
 
對應程序設計：
MOVLW B'11000000' ;bit7=smp=1
MOVWF SSPSTAT ；在輸出數據的末尾採樣輸入數據
；bit6=cke=1，ckp=0時上升沿
；發送數據
MOVLW B'00000001' ；bit2~bito設置晶振／16，SPI主控方式
MOVWF SSPCON ；bit4=CKP=0空閑時鐘低電平

    nRF905模塊存在4種工作模式：掉電和SPI編程模式、待機和SPI編程模式、發射模式、接收模式。
BSF PORTB，2 ；待機和SPI編程方式
BCF PORTB，0 ;PWR_UP= 1，TRX_EN= 0，TX_EN= 0
BCF PORTB，1
BSF PORTB，0 ；往晶元中寫數據操作完畢，轉換到發射模式
BSF PORTB，1
BSF PORTB，0 ；往晶元中寫數據操作完畢，轉換到接收模式
             ；RB0_TRX_CE= 1，RB1_TXEN= 0
    通過對16F876相應輸出口高低電平的轉換，可控制nRF905模塊工作模式的變化。將單片機的SPI介面與nRF905模塊的相應SPI口互連，實現16F876與nRF905模塊之間的數據傳遞或實現16F876向nRF905模塊發出控制命令；在編程模式下，可將預配置的命令或數據送入單片機收發緩衝器SSPBUF中，以16F876作為主控模式，並提供SPI通信必需的SCK時鐘，nRF905模塊作為從動模式，在SCK上升沿，雙方進行數據傳遞，啟動SCK后可將單片機數據逐位移人nRF905模塊中，以完成對其初始配置。
    參照nRF905模塊數據手冊進行初始配置：nRF905模塊的發射功率，工作頻段，發送數據寬度，發送數據地址，接收數據寬度，接收數據地址，CRC校驗等。若該nRF905模塊作為發射部分，則將已採集並存儲在單片機中的數據送入nRF905模塊，以備發射。
MOVLW 58H
；BIT7=CRC_MODE=1，8位CRC校驗位
；BIT6=CRC_EN=1，CRC校驗允許
；BIT[5:3]=XOF[2:0]=000，晶振4 MHz
；BIT2=UP_CLK_EN=0外部時鐘信號禁止
；BIT[1:0]=UP_CLK_FREQ[1:0]=11，500 kHz
MOVLW B'001001100'
；BIT5=AUTO_RETRAN=0不重發數據
；輸出功率為-10 dBm，
；BIT4=RX_RED_PWR=0正常工作模式
；BIT1=HEREQ_PLL=0.433 MHz頻段
；CH_NO[8]=0

    設計一個SPI通信模塊程序進行循環調用，以簡化程序設計，提高可讀性。
；SPI通信子程序
OUT_IN
BSF SSPCON，SSPEN ；允許SPI模式
MOVWF SSPBUF ；數據送給SSPBUF后開始發送LP2
BCF STATUS，RP1 ；選擇RAM 體1
RSF STATUS．RP0
BTFSS SSPSTAT,BF ；查詢發送／接收完否
GOTO LP2 ；否，繼續查詢
BCF STATUS,RP0 ；是，選擇RAM 體0
MOVF SSPBUF,W ；從緩衝器取出數據
RETURN ；子程序返回
程序流程如圖5所示。
 

結語
    本無線數據傳輸系統已成功應用於無線抄表項目之中，在實際的工作環境運行半年多時間，情況良好。經過現場測試，在空曠地，無須另加功放或外接天線，無線通信的有效半徑約100 m。本系統除可應用在無線抄表領域外，還可用於環境監測、門禁系統、無線遙控系統等。