摘 要：本文首先介绍了无线通信芯片nRF903的基本原理和主要特点、P89LPC932单片机的I/O接口功能及其低功耗的特点。在此基础上，设计了nRF903与P89LPC932的接口电路，该接口电路简单可靠，并能实现低功耗工作。本文还设计了无线通信过程中的发射和接收流程，可适用于小型无线通信系统。

关键词：nRF903；P89LPC932；低功耗；无线通信

前 言

无线通信因其组网方便快捷，在测控领域的应用越来越广，如小型数据网络、安全防火系统、遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制等。为实现这些应用，许多无线通信芯片生产厂家开发出性能越来越高的芯片，nRF903就是Nordic公司推出的单片无线收发芯片。在实际应用中，nRF903往往成为微型计算机系统的一个无线接口，因此，实现nRF903与微机（如单片机）的接口就是一个需要解决的问题。本文给出了一个单片机P89LPC932与nRF903的一个接口方案，包括硬件连接和简单通信协议，该方案具有低功耗的特点。

nRF903的简介

nRF903采用蓝牙核心技术设计，工作在433/868/915MHz的ISM频段，其内部组成如图1所示，包括发射电路、接收电路、控制接口电路和串行接口等部分。

从图1可知，nRF903所需要的外围元器件很少，方便用户调试和降低成本。在发射模式中，数字信号经DATA管脚输入，经锁相环（PLL）和压控振荡器（VCO）处理后进入到发射功率放大器（PN）射频输出，最后，射频信号由天线输出。电路所需的基准频率由外接晶体产生。本机震荡采用锁相环方式，压控振荡器由片内的震荡电路和外接的LC谐振回路组成，频率稳定性极好。在接收模式中，由天线接收射频信号，然后信号进入低噪声放大器（LNA）；信号被放大后进入二级混频器，第一级中频10.7126MHz，第二级中频345.6KHz。从混频放大器输出的信号进入中频放大器（图中省略）；中频放大器的输出信号经中频滤波器（IF-filter）滤波后送入GFSK解调器（GFSK-modulator），解调后的数字信号在DATA管脚输出。

从发射和接收的接口电路可以看出，nRF903发射和接收共用一个管脚（DATA），因此不能同时发射和接收数据，只能进行半双工通信，这是进行单片机接口电路设计时必须考虑的，同时nRF903在发射模式和接收模式之间转换需要几个毫秒的时间，这是在通信软件设计时必须考虑的。nRF903提供了7根I/O线与单片机连接，如图2的左侧所示，它们分别负责nRF903的通信参数配置、工作模式选择和数据通信等。管脚TXEN、STBY和PWR_DWN负责nRF903接收模式、发射模式、掉电模式和标准模式的切换；管脚CS、CFG_CLK和CFG_DATA组成的串行接口将14位的配置字移入相应寄存器，从而实现对频段、通道、输出功率和输出时钟频率的配置；C_SENSE和CLK_OUT可作为外部器件的信号，分别用于初始化控制器中的应答程序和故障诊断。

图1nRF903 内部框图（略）


P89LPC932的特点及与nRF903的连接

P89LPC932是增强型的80C51芯片，运行速度6倍于标准80C51器件，它采用了高性能的处理器结构，集成了许多系统级功能，适用于许多要求高集成度、低成本的场合。LPC932具有P0、P1、P2和P3四组I/O口，P3为2位，其余为8位，它们可以由用户定义输入输出类型。这些类型包括有三种类型的串行通信接口：UART、I2C、和SPI，这使得它非常适合与nRF903进行连接。LPC932的另外一个主要特点是低的工作电压和低功耗，其工作电压为2.4V～3.6V，支持空闲模式、掉电模式和完全掉电模式3种节电模式，特别适合低功耗场合应用。

图2 nRF903与P89LPC932（略）

根据P89LPC932的特点和nRF903的接口要求设计如图2所示的硬件连接。单片机与nRF903之间通常通过UART口进行数据传输。由于单片机的UART口分别从TXD和RXD两线进行发射和接收，而nRF903的发射和接收只有一个引脚DATA，采用图2的方法可以实现半双工的通信方法，10K电阻的作用是实现阻抗匹配和隔离。nRF903的外接晶体要求为11.0592MHz，LPC932的时钟频率可在20KHz～12MHz范围选择。由于nRF903的最大波特率为76.8Kbps，选择低的工作频率可以降低单片机的功耗，经过计算选择单片机的晶振频率1.8432MHz可以满足要求。

LPC932的SPI接口正好与nRF903的SPI接口进行连接，实现该接口进行频段、通道、功率等配置。LPC932的P1.2、P1.3和P1.4分别连接nRF903的TXEN、STBY和PWR_DWN实现对nRF903工作模式进行控制。LPC932的P1.6和P2.0分别连接nRF903的C_SENSE和CLK_OUT，单片机据此可以判断nRF903是否检测到载波和是否有时钟输出。如果有载波信号，则说明通信对方可能在发送数据，单片机需要进行接收处理。如果没有时钟输出，说明nRF903工作不正常。为了更有效地节省功耗，除了对nRF903的工作模式进行选择外，还设计了一个电源电子开关，即nRF903电源由LPC932的P0.0进行开关控制，当不要进行通信时，可以关闭nRF903的电源，这样可以极大地降低整个系统地功耗。

图3 UART的发送和接收程序流程图


无线通信的软件流程设计

LPC932通过nRF903进行无线通信时，除了待机和掉电模式，其他模式都可对nRF903进行配置和初始化。但是在待机和掉电模式时，寄存器的内容仍然保留有效，只有在电源撤离的情况下，配置字数据才会丢失。

在进行数据通信前，需要对nRF903的工作参数和工作模式进行初始化、对LPC932的UART进行工作方式设置、对通信数据帧的格式进行定义。为了便于通信字节的差错控制，选择UART的工作方式3。为了减少无线通信过程中的相互干扰，数据帧不能太长，同时为了提高通信效率，数据帧也不能太短。综合考虑，采用如表1所示的数据帧格式，它由包头（5字节）、地址字（6字节）、数据字（12字节）、校验字（1字节）四个部分组成。

表1 ：通信数据帧格式（略）

数据帧中包头定义为CCCCCCCCF0h，该字段进行接收和发射数据帧同步。地址字（address word）是设备地址，该地址要求在本无线通信系统内地址不重复，并且也应该减少与其它同频率通信的系统该部分内容重复，采用以太网的地址字节数，采用6个字节。数据字（message word）是该数据帧要传输的内容，固定为12字节。如果要传输更多的内容，可以采用多个数据帧的方式。校验字（checksum）为一个字节，本文的设计采用XOR方式，即：校验字由数据帧的地址和数据部分通过XOR生成。如果接收到的校验和与本地生成的校验字不匹配，说明数据帧有错误，要求重传。

由LPC932和nRF903组成的通信系统的接收和发送的程序流程图如图3所示，左边流程图是发送程序流程图，右边是接收程序流程图。通信方式为半双工通信，在发射和接收之间切换时需要等待nRF903的稳定时间。根据该流程图可以很好地写出程序。单片机采用先检测后发送地方式，即先检测无线频率是否被其它设备占用（通过C_SENSE引脚），如果被占用，则继续等待，当没有被占用时，才进行发射操作。当发射一个数据包时，将转到接收模式，在接收模式时，也通过C_SENSE引脚判断是否对方已经发射，如果已发射则进行接收操作，并判断接收数据是否正确，不正确则要求重传。

结 论

本文叙述了单片机P89LPC932和无线通信芯片nRF903的接口设计，单片机除了对nRF903进行节电工作方式配置外，还可以对其工作电源进行开关，以便只有在收发的时候才加上电源，在节电的同时也减少了对环境的电磁辐射，单片机还可以对nRF903的时钟输出信号进行检测，据此可以进行一定程度的故障诊断。在软件设计设计方法，对单片机的UART进行了配置，采用了一个定长的简单数据包，这样提高了通信的可靠性和节省了功耗。这些方法都具有普遍意义，可以广泛用在各种类似系统当中。