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(zhuǎn)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。

采用ProtelDXP繪制電路原理圖和雙面PCB板，使用JTAG mk II在AVR Studi04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

(1)單片機ATmega16A

采用芯片LM1117將DC 9V穩(wěn)壓到DC 3.3V，對單片機ATmega16A、芯片nRF905、芯片MAX3232進行供電。串口通信采用芯片MAX3232進行邏輯電平的轉(zhuǎn)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16KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH、512 B的E2PROM和1 KB的SRAM，供嵌入式軟件使用；在線調(diào)試的JTAG端口，豐富了系統(tǒng)的調(diào)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，可保證無線芯片nRF905的無縫連接。

(2)無線芯片nRF905

NORDIC公司的無線芯片nRF905采用高效的GFSK調(diào)制，使用開放的ISM頻段，工作速率可達50 Kb/s，收發(fā)模式切換時間短，功耗低，內(nèi)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。

1.3 可行性分析

1.3.1 通信速率

nRF905無線收發(fā)芯片的最高工作速率50Kb/s。PC機端的控制軟件可以設置串口的工作速率，典型波特率設置為9600b/s或115200b/s。串口的波特率的每個字節(jié)加上起始位、停止位和奇偶校驗位，經(jīng)計算，串口工作速率小于無線芯片的工作速率，因此，可以采用無線芯片nRF905轉(zhuǎn)發(fā)串口數(shù)據(jù)進行通信。

1.3.2 功耗估計

(1)單片機ATmega16A的耗散功率條件：溫度，25℃；單片機工作晶振：1MHz；工作電壓，3.3V。
     激活模式：功率P=0.6×3.3=1.95mW
     空閑模式：功率P=0.2×3.3=0.66mW。

(2)芯片MAX232的耗散功率工作電壓：V=3.3V。
     最大工作電流：I=1mA。
     典型工作電流：I=0.3mA。
     則最大功耗：P=VI=3.3mW。
     典型功耗：P=W=0.99mW。

(3)無線模塊的功率計算
     發(fā)送模式的功耗：P=30×3.3=99mW。
     接收模式的功耗：P=12.2×3.3≈41mW。

(4)穩(wěn)壓芯片LM 1117的耗散功率
     輸入電壓：Vin=9V。
     輸出電壓：Vout=3.3V。
     系統(tǒng)工作電流I=(0.6+1+30)=31.6mA。
     則功耗P=(Vin-Vout)×I=180.12mW。

(5)總功率的計算
     系統(tǒng)最大功耗：
     P=180.12+1.95+3.3+99=284.37mW
     經(jīng)功耗估計，系統(tǒng)功耗較小，因此可以使用DC 9V電池供電。設計系統(tǒng)的供電方式為電池和外部DC 9V電源，通過跳線切換。

1.4 電路板布局

實現(xiàn)無線通信的系統(tǒng)電路板布局如圖3所示。

2 軟件設計

2.1 通信協(xié)議

(1)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。

(2)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1個和第2個字節(jié)是0xF6、0x5A，作為包頭，第3個字節(jié)和第4個字節(jié)為數(shù)據(jù)長度的一半，數(shù)據(jù)最后的2個字節(jié)為校驗字節(jié)。LED屏控制卡回復數(shù)據(jù)為4個字節(jié)，第1個字節(jié)和第2個字節(jié)為為發(fā)送數(shù)據(jù)的前2個字節(jié)，后2個字節(jié)為發(fā)送數(shù)據(jù)的最后2個字。

(3)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)議設計如下：第1個字節(jié)為包頭0xF6，第2個字節(jié)為數(shù)據(jù)的長度，該字節(jié)的首位置1，此包數(shù)據(jù)為最后一包，該字節(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)32B，所以最大數(shù)據(jù)包長度為30B。大于30B的數(shù)據(jù)，將分包發(fā)送。

2.2 芯片nRF905工作原理

(1)芯片nRF905的管腳及管腳功能如表1所示。

(2)芯片nRF905的工作模式

芯片nRF905共有4種工作模式：活動模式有ShockBurst RX(接收模式)和ShockBurst TX(發(fā)送模式)；節(jié)電模式有掉電模式和SPI編程模式或STANDBY(空閑模式)和SPI編程模式。芯片nRF905的工作模式由TX_EN，TRX_CE，PWR_UP的設置來設定，如表2所示。

2.3 基于狀態(tài)機的嵌入式軟件設計

2.3.1 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；無線等待狀態(tài)(PC端)ST_WAVE_WAIT。

2.3.2 狀態(tài)機的狀態(tài)觸發(fā)與轉(zhuǎn)換

上位機在中斷中接收PC機發(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機上的控制軟件；上位機狀態(tài)觸發(fā)與轉(zhuǎn)換關系如圖4所示。下位機查詢接收無線模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，通過串口轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換關系如圖5所示。圖4和圖5共同完成1次數(shù)據(jù)應答。

2.3.3 定時器的數(shù)據(jù)收發(fā)檢測

(1)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9600b/s時，中斷間隔小于1ms。設置定時器的時長1.5ms，如果超過此時長，則意味著串口數(shù)據(jù)接收完成。
     (2)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 結(jié)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)功能。