基于nRF905的八路无线抢答器 毕业论文.doc

2010届江汉大学毕业设计（论文）二一二届学生毕业论文（设计） 存档编号：毕业论文（设计）论文题目: 基于nRF905的八路无线抢答器 英 文：Eight-Route Wireless Priority-Answer Device based on nRF905 学 院: 物理与信息工程学院 专 业: 电子信息工程 学生姓名: 学 号: 指导教师: 2012年 4月10日20目录摘 要1Abstract21 绪论21.1 抢答器21.1.1 抢答器原理21.1.2 74ls1485 1.1.3 D触发器82 八路无线抢答器的总体方案82.1.1八路无线抢答器的总体框图102.1.2八路无线抢答器的框图分析102.1.3八路无线抢答器的电路原理103八路无线抢答器的无线通讯13 3.1.1无线接收模块13 3.1.2 nRF905简介153.1.3 无线模块的选择174关于八路无线抢答器的自我认识185八路无线抢答器的总结185.1.1总结205.1.2八路无线抢答器的成型图形20致 谢20参考文献20 题目：基于nRF905的八路无线抢答器 摘 要这个设计将传统的有线抢答器改造成一种基于无线数传模块 nRF905 的八路抢答系统，系统由 1 台主机和 8 台子机组成，共占用 9 个无线频段，包括 1 个公共频段和 8 个子机频段。主机和子机均利用 AT89S52 单片机进行控制，实现抢答检测、成员分数显示和控制等功能。主机和子机之间的通信采用 2 字节通信帧格式，并自定义通信命令与协议。并通过多种方式对抢答结果进行显示。关键词：无线； 抢答器；AT89S52 单片机 ;检测；控制；通信Topic：Eight-route wireless priority-answer device based on nRF905 Abstract This design reforms the traditional wired answering device into a wireless data transmission module nRF905 Eight way responder system.The system consists of 1 hosts and 8 table machine.Occupies a total of 9 radio frequency band.Includes 1 public frequency band and 8 sub machine band.Host and promoter machine using AT89S52 MCU control, realize the violation detection alarm, timing, answer member scores display and control functions.The communication between host and promoter using 2 byte communication frame format, and custom communication command and protocol.The state of the different running states of vies to answer first division, using the time slice rotation system and state processing mechanism for different state for the processing and switching.Keywords : wireless; answering machine; scmAT89s52; detection;control;communication1 绪论 1.1 抢答器原理1.1.1 抢答器简介 在竞赛，文体娱乐活动（抢答活动）中，能准确，公正，直观的判断出抢答者的机器。通过抢答者的指示灯显示，数码显示和警示显示等手段指示出第一抢答者。一般抢答器由单片机以及外围电路组成，分为八路十路等不同，八路和十路的差别是，抢答器背后的接口有几组，和外形没有关系。1.1.2 74ls148LS148 是将8 数据线编至二进制的3 数据线的8 线3 线优先编码器。级联电路（赋能输入端EI 和赋能输出端EO）使其不需外接电路就可进行八进位扩展。输入和输出均为低电平有效。所有输入端均有缓冲器，是一个74LS/74LS 系列的标准负载。本电路可用于：N 位编码，代码转换和产生。特点：缓冲输入设计 可以对输入进行优先译码，以保证只对最高位的数据线编码典型参数 tpd=15ns Pd=60mW 图1-1 图1-2 图 1-3 图1-41.3 D触发器1.3.1什么是D触发器沿边D触发器 电平触发的主从触发器工作时，必须在正跳前沿加入输入信号。如果在CP高电平期间输入端出现干扰信号，那么就有可能使触发器的触发状态出错。而边沿触发器允许在CP触发沿来到前一瞬间加入输入信号。这样，输入端受干扰的时间大大缩短，受干扰的可能性就大大降低了。边沿触发器也称为维持-阻塞边沿D触发器。该触发器由6个与非门组成，其中G1和G2构成基本RS触发器。 1.3.2工作原理SD和RD接至RS触发器的输入端，他们分别是预置和清零端，低电平有效。当SD=1，RD=0时，不论输入端D为何种状态时，都会使Q=0，Q非=1，即触发器置0；当SD=0，RD=1时，Q=1，Q非=0，即触发器置1；SD和RD通常又称为直接置1和置0端。我们设他们都已加入了高电平，不影响电路的工作。工作过程如下： 1.CP=0时，与非门G3和G4封锁，其输出Q3=Q4=1，触发器的状态不变。同时，由于Q3至Q5和Q4至Q6的反馈信号讲这两个门打开，因此可接收输入信号D，Q5=D，Q6=Q5，非=D非。 图1-5 2.当CP由0变1时触发器翻转，这时G3和G4打开，他们的输入Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。Q3=Q5，非=D非，Q4=Q6，非=D。由基本RS触发器的逻辑功能可知，Q=Q3，非=D。3.触发器翻转后，在CP=1时输入信号被封锁。这时因为G3和G4打开后，他们的输出Q3和Q4的状态是互补的，即必定有一个是0，若Q3为0，则经G3输出至G5输入的反馈线将G5封锁。即封锁了D通往基本RS触发器的路径；该反馈线起到了使触发器维持在0状态和阻止触发器变为1状态的作用，故该反馈线称为置0维持线，置1阻塞线。Q4为0时，将G3和G6封锁，D端通往基本RS触发器的路径也被封锁。Q4输出端至G6反馈线起到了使触发器维持在1状态的作用，称作置1维持线，Q4输出至G3输入的反馈线起到阻止触发器置0的作用，称作置0阻塞线。因此，该触发器常称为维持-阻塞触发器。总之，该触发器是在CP正跳沿前接收输入信号，正跳沿时触发翻转，正跳沿后输入即被封锁，三步都是在正跳沿后完成，所以又边沿触发器之称。与主从触发器相比，同工艺的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。1.3.3特征 特征表图1-6特征方程：Qn+1=D 时序图 1-7 1.3. 4 脉冲特性 1.建立时间：维持阻塞触发器的电路可见，由于CP信号是加在G3和G4上的，因而在CP上升沿到达之前门G5和G6输出端的状态必须稳定的建立起来。输入信号到达D端以后，要经过一级电路的传输延迟时间G5的输出状态才能建立起来，而G6的输出状态需要经过两级门电路的传输延迟时间才能建立起来。因此，D端的输入信号必须先于CP的上升沿到达，而且建立时间应满足：test2tpd。 2.保持时间：为实现边沿触发，应保证CP=1期间门G5的输出状态不变，不受D端状态变化的影响。为此，在D=0的情况下，当CP上升沿到达以后还要等门G3输出的低电平返回到门G5的输入端以后，D端的输入端才允许改变。因此输入低电平的保持时间为THLtpd。在D=1的情况下，由于CP上升沿到达以后G4的输出将G3封锁，所以不要求输入信号继续保持不变。故输入高电平的保持时间THH=0.3.传输延迟时间：从CP上升沿到达时开始计算，输出由高电平变为低电平的传输延迟时间TPHL和由低电平变为高电平的传输延迟时间TPLH分别是：TPHL=3tpd，TPLH=2tpd。4.最高时钟频率：为保证由门G1G4组成的同步RS触发器能可靠的翻转。CP高电平的持续时间应大于TPHL，所以时钟信号高电平的宽度TWH应大于TPHL。而为了在下一个CP上升沿到达之前确保门G5和G6新的输出电平可以稳定的建立，CP低电平的持续时间不应小于门G4的传输延迟时间和test之和，即时钟信号低电平的宽度TWLtset+tpd。最后说明一点，在实际集成触发器中，每个门的传输时间是不同的，并且做了不同程度的简化，因此上面讨论的结果只是一些定性的物理概念。其真实参数由实验决定。在考虑建立保持时间时，应该考虑时钟树向后偏斜的情况，在考虑建立时间时应该考虑时钟树向前偏斜的情况。在进行后仿真时，最大延迟用来检测建立时间，最小延迟用来检测保持时间。 建立时间的约束和时钟周期有关，当系统在高频时钟下无法工作时，降低时钟频率就可以使系统完成工作。保持时间是一个和时钟周期无关的参数，如果设计不合理，使得布局布线工具无法布出高质量的时钟树，那么无论如何调整时钟频率也无法达到要求，只有对所设计系统作较大改动才有可能正常工作，导致设计效率大大降低。因此合理的设计系统的时序是提高设计质量的关键。在可编程器件中，时钟树的偏斜几乎可以不考虑，因此保持时间通常都是满足的。两者之间的比较：74LS148从功能表可以看出，输入端优先级别的次序依次为I7，I6，I0 。当某一输入端有低电平输入，且比它优先级别高的输入端无低电平输入时，输出端才输出对应该输入端的代码。D触发器：1. 自动执行。触发器在对表的数据作了任何修改（比如手工输入或者应用程序的操作）之后立即被激活。2. 级联更新。触发器可以通过数据库中的相关表进行层叠更改，这比直接把代码写在前台的做法更安全合理。3. 强化约束。触发器可以引用其它表中的列，能够实现比CHECK约束更为复杂的约束。4. 跟踪变化。触发器可以阻止数据库中未经许可的指定更新和变化。 综上所述故而D触发器更适合于市场所需。2八路无线抢答器的总体方案 确定单片机的型号 根据系统的功能与要求，选择AT89C52比较宜。 任务：设计一个供8名选手参加的八路扫描式抢答器。每组设计一个抢答按扭供参加者使用。电路具有第一抢答信号的鉴别和锁定存储功能。在主持人将系统复位并发出抢答指令后，如果参赛者在第一时间按抢答开关，则按钮指示灯灯亮并用组别电路显示出抢答者的组别。同时扬声器发出声音。电路应具有自锁功能，使其他组不起作用。 系统的功能与要求每名选手有一个抢答按扭，按扭的编号与选手的编号相对应，抢答器具有信号的鉴别和数据的锁存、显示的功能。抢答开始后，若有选手抢答按扭，则选手指示灯亮，并在数码管上显示相应的编号，蜂鸣器发出音响提示。同时，电路应具备自锁功能，禁止其他选手再抢答，优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清零为止。抢答器具有定时抢答的功能。在主持人发出抢答指令后，定时器立即进行减计时，并在显示器上显示，同时蜂鸣器发出短暂的声响，声响持续0.5s左右。选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器显示选手编号，并保持到主持人将系统清零为止。 八路抢答器的概述 本文介绍的八路数显抢答器具有电路简单、成本较低、操作方便、灵敏可靠等优点，经使用效果良好，具有较高的推广价值。可用于8组或8组以下的智力竞赛中。比赛前，将参赛组从0至7编号，每组发给对应的的一个抢答按钮。主持人按一下总控制启动键后，抢答开始。此后，哪一组最先按下抢答按钮，数码显示器就立即显示该组的组号并锁定，同时蜂鸣器发出声响。以后，按下任何一路抢答按钮均不起反应。只有主持人再次按动启动键后，才能进行下一次抢答该电路。 1.2.2 八路无线抢答器的框图分析1.2.3八路无线抢答器的电路原理 无线抢答器中断1无线抢答器中断2无线抢答器中断3主持人控制器无线接收解码模块LED显示模块蜂鸣报警器模块人机接口模块单片机抢答器控制中心显示屏上位随机音响设备 八路无线抢答器原理图基于nRF905单片机的无线抢答器系统的原理框图如上所示，由8路无线抢答器终端，主控制器以及上位微机系统组成。 系统的主机主要负责和子机进行无线通信和信息处理，没有和高端计算机的交互过程。主机将抢答过程分为几种状态处理: 发布态、答题态、抢答态、完成态。系统可以在不同状态间相互切换和轮转。当主机处于发布态时，主机轮流在公共频道发送8 个子机成员信息，并对8 路子机进行复位。任何时候按下“复位”按钮即进入发布态。在发布态若按下“答题/抢答”键，主机进入答题态。主机在答题态的时候处于接收模式，进行通道巡检，看8 个子机有没有信号发出。如果收到任何一个子机信号，说明子机提前按下抢答按钮，该子机视作违规抢答，违规指示灯亮起，进入完成态。当处于答题态的时候如果再次按下“答题/抢答”键，主机进入抢答态。只有主机在抢答态的时候才允许子机抢答。主机同时对抢答时间做出了120 s 的限制，超出了抢答时间子机就无法抢答，并且退回发布态。如果子机成员抢答成功的时候，主机进入完成态。只有主机在完成态，主机才可以利用按键对子机进行分数加减设置。抢答器子机流程 开始 是否按键 否 是 发送数据抢答器接收机流程图 开始按键一是否 按下 否 是 接收数据数据是否有 效 否 是显示并呼叫上位机按键二是否按下 否 是 3 八路无线抢答器的无线通讯3. 1. 1 无线接收模无线接收模块（英文名称：RF Wireless Receiver Module）一般分为超再生和超外差接收模块两种类型，按照是否有编解码还可分为无线接收头（不带解码，输出脉冲信号）、无线接收板（带解码芯片，输出TTL电平信号）。无线接收模块广泛地运用于无线遥控、遥控玩具、防盗报警、车库门、卷闸门、道闸、伸缩门等门控业、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。 模块必须用信号调制才能正常工作，常见的固定码编码器件如PT2262/2272，NRF905，只要直接连接即可，非常简单，因为是专用编码芯片，所以效果很好传输距离很远。编码解码芯片PT2262/PT2272芯片原理简介：    PT2262/2272是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441地址码,PT2262最多可有6位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。编码芯片PT2262发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射。当发射机没有按键按下时，PT2262不接通电源，其17脚为低电平，所以315MHz的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262得电工作，其第17脚输出经调制的串行数据信号，当17脚为高电平期间315MHz的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17脚为低平期间315MHz的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262的17脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK调制）相当于调制度为100的调幅。在通常使用中，我们一般采用8位地址码和4位数据码，这时编码电路PT2262和解码PT2272的第18脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，3的8次方为6561，所以地址编码不重复度为6561组，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用，遥控模块的生产厂家为了便于生产管理，出厂时遥控模块的PT2262和PT2272的八位地址编码端全部悬空，这样用户可以很方便选择各种编码状态，用户如果想改变地址编码，只要将PT2262和PT2272的18脚设置相同即可，例如将发射机的PT2262的第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空，那么接收机的PT2272只要也第1脚接地第5脚接正电源，其它引脚悬空就能实现配对接收。当两者地址编码完全一致时，接收机对应的D1D4端输出约4V互锁高电平控制信号，同时VT端也输出解码有效高电平信号。用户可将这些信号加一级放大，便可驱动继电器、功率三极管等进行负载遥控开关操纵。 图3-1 PT2262引脚图 图3-2 PT2272 引脚图3. 1. 2 NRF905简介NRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼切斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。 NRF905单片无线收发器工作由一个完全集成的频率调制器，一个带解调器的接收器，一个功率放大器，一个晶体震荡器和一个调节器组成。ShockBurst工作模式的特点是自动产生前导码和CRC，可以很容易通过SPI接口进行编程配置。NRF905单片无线收发器是Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1.9-3.6V，32引脚QFN封装（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz3个ISM频道。图3-3 NRF905B（PCB板载天线） 模块尺寸：38*44（最宽处）NRF905的特点：低功耗ShockBurst工作模式 工作电源电压范围1.93.6V 多通道工作ETSI/FCC兼容l通道切换时间<650us 输出功率可调至10dBm 传输前监听的载波检测协议极少的材料消耗多通道工作ETSI/FCC兼容当正确的数据包被接收或发送时有数据准备就绪信号 NRF905的接口 模式控制接口：该接口由 PWR 、TRX_CE、TX_EN组成控制由nRF905组成的高频头的四种工作模式：掉电和 SPI 编程模式；待机和SPI编程模式 ；发射模式；接收模式。 状态输出接口： 提供载波检测输出CD，地址匹配输出AM，数据就绪输出DR。SPI接口：SPI 接口由 CSN、SCK、MOSI以及MISO组成。在配置模式下单片机通过SPI接口配置高频头的工作参数；在发射/接收模式下单片机SPI接口发送和接收数据。 接口电路管引脚说明 管脚 名称 管脚功能 说明 1 VCC 电源 电源+3.33.6 DC 2 TX_EN 数字输入TX_EN=1 TX模式 TX_EN=0 RX 模式 3 TRX_CE 数字输入使能芯片发射或接收 4 PWE_UP 数字输入芯片上电 5 UCLK 时钟输出本模块该脚废弃不用，向后兼容 6 CD 数字输出载波检测 7 AM 数字输出地址匹配 8 DR 数字输出接受或发射数据完成 9 MISO SPI接口SPI输出 10 MOSI SPI接口SPI输入 11 SCK SPI接口SPI时钟 12 CSN SPI接口SPI使能 13 GND 地接地 14 GND 地接地3. 1. 3 无线模块的选择 系统比较关键的地方是无线通信模块的选择。市面上的射频模块林林总总，就整体性价比来看，适用抢答器的模块并不多，常见的方案有两种。一种是使用由PT2262和PT2272组成的无线收发模块，另一种是使用nRF905无线收发模块。 PT2262/72收发模块广泛应用于车辆报警系统，简易遥控通信系统等场合。这个收发模块组价格便宜，但它在抢答器中运用有局限性。首先，模块的选频困难，而抢答器为了避免干扰，不同成员需要占用不同的通信频道。这种同频电波之间的干扰和译码问题是进行无线抢答器设计的时候容易忽略的。其次，PT2262/72模组的通信时间过长。据检测，模组收发一套完整的编码需要50ms，那么，8个抢答成员进行一轮检测需耗时至少400m，这远远不能满足抢答器对响应时间的要求。而nRF905无线模块就能满足多点通信和跳频通信的需要，它允许设置125个频道，且其最高的工作速率能够达到50kbps，对信号进行GFSK调制，抗干扰能力强，能满足抢答器对通信速率的要求。因此，系统选择了nRF905无线数传的收发一体通信模块。nRF905典型通信频道段设置433MHZ左右，抢答器的两个通信频道段相隔0.5MHZ不会又干扰现象发生。该方案将通信频段设置于423433MHZ之间，相隔1MHZ步进设置9个不同的通信频点。6 关于八路无线抢答器的自我认识 基于nRF905的无线抢答器系统采用了时间片轮转系统和状态处理机制，通过自定义的数据格式帧进行通信，较之有线系统虽然更为复杂，设计繁琐，但使其应用更为方便，容易移植。目前，该系统只支持8路子机，但可以通过修改协议，增加扫描速度等方法来提高支持的路数。5 八路无线抢答器的总结5.1.1 总结 此次毕业设计要求我们在秦老师的指导下独立进行查阅资料， 设计 方案与组织实验等工作，并写出报告。这次实验对于提高我们的素质和 科学实验能力非常有益，为以后从事电子电路方面的设计，研制电子产 品打下基础。 通过这两个多月的学习，发现了自己的很多不足，自己知识的很多 漏洞，看到了自己的实践经验还是比较缺乏，理论联系实际的能力还急 需提高。虽然这只是一次的极简单的毕业制作（八路抢答器） ，可是平心而 论，也耗费了不少的心血，这就让我不得不佩服专门搞单片机开发 的技术前辈，才意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美 好，他们为我们社会所付出多少心血啊！在以后的工作中，我一定会更 加努力的学习，充分的发挥自己的特长。大学的学习和生活即将结束，在我们步入社会之前，我们必须还要完成我们的毕业论 文。而我所做的论文题目是基于nRF905的八路无线抢答器系统。经过这几个月的学习和研究，终于完 成了此项设计。在此设计中我感受颇深。从开始接到论文题目到系统的实现，再到论文文 章的完成，每走一步对我来说都是新的尝试与挑战，这也是我在大学期间独立完成的最大 的项目。在这段时间里，我学到了很多知识也有很多感受，从八路抢答器的一无所知，对 Proteus、keil 等系统相关技术很不了解的状态，我开始了独立的学习和试验，去图书馆 和网上查看了相关的资料和书籍，让自己头脑中模糊的概念逐渐清晰，使自己非常稚嫩作 品一步步完善起来，在此期间每一次改进都是我学习的收获，每一次试验的成功都会让我 兴奋好一段时间。从中我也充分认识到了抢答器给了我们生活带来众多的方便。 虽然我的论文作品不是很成熟，还有很多不足之处，但我可以自豪的说，这里面的每 一段代码，都有我的劳动。当看着自己的程序，自己成天相伴的系统能够健康的运行，真是莫大的幸福和欣慰。我相信其中的酸甜苦辣最终都会化为甜美的甘泉。 最后， 我要特别感谢我的指导教师秦老师， 感谢他在系统开发过程中给我提供的帮助， 使我能够顺利完成毕业设计。同时在此表示衷心的感激秦老师认真负责的工作态度，严谨 的治学精神和深厚的理论水平都使我受益匪浅。在整个毕业设计过程中我懂得了许多东 西，也培养了我独立学习的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工 作和生活有非常大的帮助，并且提高了自己的动手实践操作能力， 使自己充分体会到了 在设计过程中的成功喜悦。虽然这个设计做的不怎么好，但是在设计过程中所学到的东西 是这次课程设计的最大收获和财富，使我终身受益。5.1.2 八路无线抢答器的成型图形致谢 这次课程顺利完成了，在设计过程中遇到了很多编程问题，最后在老师的辛勤指导下，终于迎刃而解。同时还有很多帮助我的同学，在此，向老师和同学表达衷心的感谢！参考文献1 欧阳星明主编，数字逻辑（第二版）.武汉：华中理工大学出版社，2005.2 康华光等编.电子技术基础数字部分（第四版）.北京：高等教育出版社,2000.3 阎石等编.数字电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社,19984 秦增煌等编.电工学（第七版上下）. 北京:高等教育出版社, 20095 胡国庆等编.电工电子实践教程.北京：清华大学出版社,2007.6 杨伟平，基于nRF905的公交车自动报站系统，通信技术，2009.7 李世雄.数字集成电子技术教程，北京：高等教育出版社，19938 侯建军.数字电路实验一体化教程.北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，20059 金唯香等编.电子测试技术.长沙：湖南大学出版社，200410 彭华林等编.数字电子级数.长沙：湖南大学出版社，2004