基于定位系统之定位射频验卡器的设计

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  【摘要】本文主要讲述了运用单片机控制电路和液晶屏显示电路进行2.4GHz射频定位卡的检测, 射频收发芯片nRF2401、控制芯片选用STC89LE51工业级单片机芯片、液晶屏显示LCD128645ZK、时钟芯片PCF8563。
  【关键词】2.4GHz;无线通信;射频;收发芯片;单片机
  0.引言
  nRF2401是挪威Nordic公司推出的单片无线收发一体芯片,工作于2.4G Hz--2.5GH的ISM(工业、科学和医疗)频段,能够在全球无线市场畅通无阻。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,只需少量外围元件便可组成射频收发电路,常用于无线鼠标和键盘、无线手持终端、无线频率识别、数字视频、遥控和汽車电子等方面。
  根据目前煤矿人员定位系统的应用,为增强人员定位数据的准确性、及时性,增设“定位射频验卡器”,做到一人一卡信号接收的同时直接显示出来,持卡人自己在井口核对准确的卡号,如果标识卡有问题持卡人能第一时间发现,避免因卡的问题出现错误数据分析,能更好的满足煤矿人员定位的需求,使煤矿的管理上一个新的台阶。也能使本企业提高市场竞争力。这次我设计的题目是“定位射频验卡器”。随着射频定位系统的不断完善、系统稳定性的不断提升、验卡速度的不断加快、定位精确度和准确度的不断提高,用户群的不断扩大,用户的需求的逐渐增多,对现有煤矿人员定位系统增加配备设备—定位射频验卡器。
  1.系统概述
  定位射频验卡器采用STC89LE51(工业级)单片机做为主控芯片,射频信号采集读头采用收发一体的nRF2401做为接收芯片,显示模块采用先进的液晶显示模块对人员卡号进行实时的显示。单片机控制程序运用可读性和移植性较高的C语言编写,nRF2401写入读取程序采用更接近机器语言的汇编语言编写,以做到更快速更准确。接收数据采用外中断处理,以做到实时的响用用户。
  2.系统硬件设计
  2.1芯片概述
  nRF2401芯片nRF2401 采用Soc(片上系统)方法设计,是业界体积最小、功耗最低、外围元件最少的低成本射频芯片。nRF2401有125个频道,支持多点间通信,最高传输速率达到1Mbit/so nRF2401没有复杂的通信协议,完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信。我们采用nRF2401 的ShockBurstTM收发模式。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行,这种做法有三大好处:尽量节能;低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射);数据在空中停留时间短,抗干扰性高。nRF2401的ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。
  在ShockBurstTM收发模式下,nRF2401自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时,自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时,自动加上字头和CRC校验码,当发送过程完成后,数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。
  nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器,功率放大器等功能模块,需要很少的外围元件,因此使用起来非常方便。
  ShockBurstTM的配置字使nRF2401能够处理射频协议,在配置完成后,在nRF2401工作的过程中,只需改变其最低一个字节中的内容,以实现接收模式和发送模式之间切换。ShockBurstTM的配置字可以分为以下四个部分:数据宽度:声明射频数据包中数据占用的位数。这使得nRF2401能够区分接收数据包中的数据和CRC校验码;地址宽度:声明射频数据包中地址占用的位数。这使得nRF2401能够区分地址和数据;地址:接收数据的地址,有通道1的地址和通道2的地址;CRC:使nRF2401能够生成CRC校验码和解码。当使用nRF2401片内的CRC技术时,要确保在配置字中CRC校验被使能,并且发送和接收使用相同的协议。在配置模式下,注意保证PWR_UP引脚为高电平,CE引脚为低电平。配置字从最高位开始,依次送入nRF2401。在CS引脚的下降沿,新送入的配置字开始工作。
  nRF2401应用电路一般工作于3V,它可用多种低功耗微控制器进行控制。在设计过程中,可使用50欧姆单鞭天线,为了得到尽可能大的收发距离,电感电容的参数应适当调整。
  2.2单片机STC89LE51
  STC89LE51RC/RD+系列单片机的是新一代超强抗干扰/高速/低功耗的单片机,指令代码完全兼容传统8051单片机,12时钟/机械周期和6时钟/机械周期可任意选择,最新的D版本内部集成MAX810专用复位电路。具有以下特点:工作电压3.8V-2.0V;工作频率范围0-40MHz,相当于普通8051的0-80MHz,实际工作频率可达48MHz;片上集成512字节RAM等。
  2.3液晶屏
  中文液晶显示模块LCM128645ZK的字型ROM内含8192个16*16点中文字型和128 个16*8半宽的字母符号字型;另外绘图显示画面提供一个64*256 点的绘图区域GDRAM;而且内含CGRAM 提供4组软件可编程的16*16 点阵造字功能。电源操作范围宽(2.7V to 5.5V),低功耗设计可满足产品的省电要求;同时与单片机等微控器的接口界面灵活(三种模式:并行8 位/4 位,串行3 线/2 线。中文液晶显示模块可实现汉字、ASCII 码、点阵图形的同屏显示,广泛用于各种仪器仪表、家用电器和信息产品上作为显示器件。中文液晶显示模块具有上/下/左/右移动当前显示屏幕及清除屏幕的命令,具有光标显示/闪烁控制命令及关闭显示命令。预留多种控制线(复位/串并选择/亮度调整)供用户灵活使用。
  3.硬件接口
  3.1液晶屏串行接口传输
  当PSB脚接低电位(模块背面S/P 的短路电阻在“S”侧),模块将进入串行模式;在串行模式下将使用二条传输线作串行资料的传送,主控制系统将配合传输同步时钟(SCLK)与接收串行数据线(SID),来完成串行传输的动作。   在片选 CS 设为高电位时,同步时钟线(SCLK)输入的讯号才会被接收,另一方面,当片选(CS)设为低电位时,模块的内部串行传输计数与串行资料将会被重置,也就是说在此状态下,传输中的资料将被终止清除,并且将待传输的串列资料计数重设回第一位;模块选择脚(CS)可被固定接到高电位。
  模块的同步时钟线(SCLK)具有独立的操作,但是当有连续多个指令需要被传输,必须确实等到一个指令完全执行完成才能传送下一笔资料,因为模块内部并没有传送/接收缓冲区。
  从一个完整的串行传输流程来看,一开始先传输起始位,它需先接收到五个连续的“1”(同步位串)在起始位元组,此时传输计数将被重置并且串行传输将被同步,再跟随的二个BIT 分别指定传输方向位(RW)及暂存器选择位(RS),最后第八位则为“0”。
  在接收到起始位元组后,每个指令/数据将分为二组接收到:较高4 位元(DB7…DB4)的指令资料将会被放在第一组的LSB 部分,而较低4 位元(DB3…DB0)的指令资料则会被放在第二组的LSB 部分,至于相关的另四位则都为0。
  3.2 nRF2401与单片机连接的硬件电路
  nRF2401通過SPI接口与单片机进行通信。nRF2401的工作电压范围为1.9V-3.6V,单片机要选用低工作电压型的。常见的低电压单片机有GM9715X,STC89LE5X,AT89LV5X,W77LE58,AT89LS5X等。本系统选用W77LE58,其指令与MCS-51兼容,片上有32KB的Flash EPROM,256字节RAM,1KB的外部数据存储器。
  单片机用软件模拟SPI总线,使用Pl.0,P1.1,Pl.2模拟SPI的DATA,CLK,CS,PWR_UP决定是否处在关机模式,CE决定是否允许收发信号,分别与单片机的Pl.3, P1.4 连接。DR1是数据接收完毕信号端,当有数据需要接收时DR1为高,单片机读取完数据后DR1为低。DR1信号经非门变换后与单片机的中断0端连接,为了检测是否已经读取完nRF2401的数据,将DR1与P3.4连接。单片机中断是低电平触发,而nRF2401的中断信号DR1是高电平,因此在DR1端加一反相器。
  3.3 nRF2401收发数据的Keil C语言实现
  单片机对nRf2401的编程包括对nRF2401进行配置、发送数据、接收数据等子程序。
  首先声明如下:
  工作模式以及转换语句:
  如果在发射模式状态则发射数据,如果在接收模式状态则等待中断触发并接收数据。如果想节电则选择空闲模式和关机模式。
  nRF2401可以根据需要配置工作状态,配置字最多18字节,常用配置字如表1所示。配置后频道1有效数据的最大长度为256-ADDR_W-CRC,频率为2400+RF_CH#*1MHz。
  4.结论
  详细地分析了验卡器的设计与解决的问题,根据目前煤矿用定位系统的实际情况,解决煤矿人员管理的简单化、煤矿人员定位的准确性和及时性;在实际应用中的准确性和稳定性的得到煤矿客户的肯定,作为定位系统的补充设备,提高了企业在同行业的竞争力,以其扩张市场份额, 获取更多的利润。 [科]
  【参考文献】
  [1]黄志伟.单片无线收发集成电路原理与应用.人民邮电出版社,2005.9.
  [2]吴金戌,沈庆阳,郭庭吉.8051单片机实践与应用.清华大学出版社,2002.12.
  [3]李朝青.无线发送/接收IC芯片及其数据通信技术选编.北京航空航天大学出版社出版,2004.2.
  [4]沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用.清华大学出版社,2008.4.
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