职业鉴定技师论文-基于nrf401的无线数传模块设计

职业鉴定技师论文-基于nrf401的无线数传模块设计内容摘要：

称 引脚功能描述 1 XC1 晶振输入 11 RFPER 发射功率设置 2 VDD 电源 (35V DC） 12 CS 通道选择 3 VSS 地（ 0V） 13 VDD 电源 (35V DC) 4 FILT 回路滤波器 14 VSS 地 5 VCO1 VC0 外接电感 15 ANT2 天线接头 6 VCO2 VC0 外接电感 16 ANT1 天线接头 7 VSS 地 17 VSS 地 8 VDD 电源 (35V DC) 18 PWRUP 电源开关 9 DIN 数据输入 19 TXEN 发射允许 10 DOUT 数据输出 20 XC2 晶振输出 (1) 9 脚及 10脚分别是 DIN输入数字信号和 DOUT 输出数字信号均为标准的逻辑电平信号，需要发射的数字信号通过 DIN 输入，解调出来的信号经过 DOUT 输出。 3 (2) 12 脚为通道选择。 CS=“ 0”为通道 1（ ） ， CS=“ 1”为通道 2（ ）。 (3) 18 脚为电源开 关。 PWR_UP =“ 1”为工作模式， PWR_UP =“ 0”为待机模式。 (4) 19 脚 TXEN。 高电平允许发送数据，低电平允许接收数据。 (5) ANT ANT2：天线接入端。 表 22 芯片工作状态与控制引脚关系 [3] 输入 响应 TXEN FREQ PWRUP 通道号 模式 0 0 1 1 433MHz 接收 0 1 1 2 315MHz 接收 1 0 1 1 433MHz 发射 1 1 1 2 315MHz 发射 X X 0 待机 电气特性 nRF401 是一个单片 RF收发 芯片， 工作频率为国际通用的数传频率 433MHz；具有FSK 调制 和解调能力， 抗干扰能力强，特别适合工业控制 应用； 采用 PLL 频率合成技术，频率稳定性好 ； 最大发射功率达 +10dBm，数据速率可达 20kb/s；具有 2 个信号通道，适合需要多信道工作的特殊场合； 工作电压在 +3～ 5V 之间，最 低 工作电压为； 它还提供进一步降低电流消耗的待机模式 ， 接收待机状态仅为 8μA ； 仅 需外接一个晶体和几个阻容、电感元件，即可构成一个完整的射频收发器。 nRF401 接收机使用频移键控 (FSK)调制方式，改善了噪声环境下的系统性能。 与幅 移键控 (ASK)方式相比，这种方式的通信范围更广，特别是在附近有类似设备工作的场合。 表 23 nRF401电气特性 参数 数值 参数 数值 频率通道 1/2MHz 433． 92/ 最大速率 /Kb s1 20 调制方式 FSK 电源电压 /V 频偏 /kHz 15 接收时电源电流 /uA 250 最大 RF输出功率 /dBm 10 发射时电源电流 /mA 8 灵敏度 /dBm 105 待机模式电源电流 /uA 8 4 芯片内部结构 nRF401 无线收发芯片的结构框图如图 32 所示。 芯片内包含有发射功率放大器（ PA）、低噪声接收放大器（ LNA），晶体振荡器（ OSC），锁相环（ PLL），压控振荡器（ VCO），混频器（ MIXER）等电路。 在接收模式中， RF输入信号被低噪声放大器 （ LNA）放大，经由混频器（ MIXER）变换，这个被变换的信号在送入解调器（ DEM）之前被放大和滤波，经解调器解调，解调后的数字信号在 DOUT 端输出。 在发射模式中， 压控振荡器（ VCO）的输出信号是直接送入到功率放大器（ PA）， DIN 端输入的数字信号被频移键控后馈送到 功率放大器输出。 由于采用了晶体振荡器和 PLL 合成技术，频率稳定性极好。 图 22 nRF401 芯片内部结构框图 时序参数 nRF401 有 3种工作模式：接收模式（ RX）、发射模式（ TX）和等待模式（ Standby）。 工作模式可由 2 个引脚设定，分别是 TXEN 和 PWR_UP。 因此通过单片机控制 nRF401的工作模式，使其在接收、发射、等待任一种状态之间转换。 不同工作模式下的时序如表 24所示。 (1) TXRX 之间的切换 当从 RXTX模式时，数据输入脚（ DIN）必须保持为高至少 1ms才能发送数据。 当从 TXRX模式时，数据输出脚 （ DOUT）至少 3ms以后有数据输出。 (2) StandbyRX的切换 5 从待机模式到接收模式，当 PWR_UP 输入设成 1 时，经过 tSR时间后， DOUT 脚输出数据才有效。 对 nRF401 来说， tSR最长的时间是 3ms。 (3) StandbyTX的切换 从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是 tST。 (4) Power UpTX的切换 从上电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中 TXEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。 当由上电进入发射模式时， TXEN 必须 保持 1ms 以后才可以往 DIN 发送数据。 (5) Power UpRX 从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据， DOUT 也不会有数据输出，直到电压稳定达到 以上，并且至少保持 5ms。 表 24 不同工作模式下的时序 模式控制 名称 最大延时 条件 TXRX tTR 3ms 连续工作 RXTX tRT 1ms StandbyTX tST 2ms StandbyRX tSR 3ms Power UpTX tVT 4ms 上电 Power UpRX tVR 5ms 应用电路设计 原理图设计 (1) 输入输出 当 nRF401 是接收模式时， ANT1 和 ANT2 引脚端提供射频输入到 低噪声放大器（ LNA）； 当 nRF401 为发射模式时，从功率放大器提供 射频输出到天线。 (2) PLL 环路滤波器 PLL 环路滤波器，是一个单端二阶滤波器，滤波器元件参数值： C3=820pF，C4=15nF， R2=。 (3) VCO 电感 芯片的 VCO 电路需要外接一个 VCO 电感，这个电感是非常关键的，需要一个高质量的片式电感， Q值大于 45，最大误差 2%。 (4) 晶振电路 6 晶 体振荡器需要外接晶振，晶振的特性要求是：并联谐振频率 f=4MHz，并联等效电容 C05pF，晶振等效串联电阻 RESR150，全部负载电容，包括印制板电容 CL14pF。 负载电容 CL如下式所示： （ 21） 式中 222 PCBCCC  和 111 PCBCCC  ， 1PCBC 和 2PCBC 是电路板的寄生电容。 (5) RF 输出功率 连接在 RF_PWR 端和 VSS 之间的电阻 R3 可以设置输出功率，最大发射功率可以调整到 +10dBm。 nRF401 的应用原理图 [4]如图 23所示。 11223344D DC CB BA AT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eA4D a t e : 2020 6 14 S he e t of F i l e : E : \ doc um e nt \ ..\ N R F C H D O C D r a w n B y :1 24MY11MR122pFC122pFC2C5100nFC61nFC722nHJ Q 4820pFC315nFC4R222KR3220pFC8100pFC933pFC 10C 1118KR4X C 11VDD2V S S3F I L T4V C 015V C 026V S S7VDD8D I N9DOUT10R F P W R11CS12VDD13V S S14A N T 215A N T 116V S S17P W R U P18T X E N19X C 220nR F 401*N R F 401T X R NT X DR X DR e s V a r i s t orR?+ 3V+ 3V 图 23 nRF401 的应用原理图 PCB 板 图设计 印刷电路板（ PCB）的设计直接关系到射频性能， PCB 使用 厚的 FR4 双面板，分元件面和底面 [5]。 PCB 的底面有一个连续的接地面，射频电路的元件面以nRF401 为中心，各元器件紧靠其周围，以尽可能减少分布参数的影 响。 元件面的接地面保证元件充分接地，大量的通孔连接元件面的接地面到底面的接地面。 nRF401采用 PCB 天线，在天线的下面没有接地面。 射频电路的电源使用高性能的射频电容去耦，去耦电容尽可能的靠近 nRF401 的 VDD 端，一般还在较大电容的表面安装的电容旁并联一个小数值的电容。 射频电路的电源与接口电路的电源分离， nRF401 的VSS 端直接连接到地面。 注意不能将数字信号或控制信号引入到 PLL 回路滤波器元21 21   CC CCCL 7 件上。 使用中应注意的问题 nRF401 的工作电压为 3V，与单片机构成的微控制系统连接时应注意电平匹配。 在发射模式时，通信速率最高为 20Kb/s。 发送数据之前需将电路置于发射模式（ TXEN=1），接收模式转换为发射模式的转换时间至少 1ms，可以发送任意长度的数据。 发送结束后应将电路置于接收 模式（ TXEN=0），发射模式转换为接收模式的转换时间至少 3ms。 在接收模式接收到的数据可以直接送到单片机串行接口。 PWR_UP=“ 0” 为待机模式，电路进入待机状态，工作电流 8uA,在待机状态 下 电路不接收和发送数据。 8 输入 调整 LM317 1 2 3 输出 3 电路电源设计 由于 nRF401 的工作电压为 3V,所以要制作一个电压转换 电路，以使控制部分的电压转换为 3V。 本电源电路由 LM317T 三端口稳压器件构成。 LM317T 介绍 LM317T是由美国国家半导体公司在 2020 年生产的 一种三端口稳压器件，他的输出电压可以通过调整电阻进行一定幅度的调整。 输出的电压幅度在 1． 2～ 27 V 之间， 基本上可以满足大多数集成芯片所需要的电压幅度。 引脚排列 LM317T可调式稳压器引脚排列图如图 31所示，除输入、输出端外，另一端称为调整端。 图 31 三端可调式集成稳压器外形及引脚 排列 内部结构 LM317T可调式集成稳压器内部结构 [6]如图 42所示。 图 32 LM317T 可调式集成稳压器内部结构 应用电路设计 由 LM317T 构成的电源电路如图 33 所示。 3 2 1 调整电路 保护电路 偏置电路 误差放大 基准电路 偏置电路 ADJ U0 9 112233445566D DC CB BA AT i t l eN um be r R e vi s i onS i z eBD a t e : 2020 6 13 S he e t of F i l e : E : \ doc um e nt \ ..\ L M C H D O C D r a w n B y :I N 4007VD5I N 4007VD62200uFC110uFC2220uFC3240R1 R2Rp12LED输入电压 5v输出电压 3vL M 317ADJ1+ V out2V i n3 图 33 由 LM327T 构成的 电源电路 将 +5v 电压输入 LM317T 的第三脚，经第二脚即可输出稳定的直流电压。 调节 Rp的大小可改变加到第一脚的调整电压大小，可使输出的稳定直流电压在 内连续可调。 输出电压的估算 （ 1） Uo= 连续可调， ICM=,IOmin≥ 5mA。 （ 2） 最小输入、输出压差（ UiUo） min=3V,最大输入、输出（ UiUo） max=40V。 （ 3） CW(LM)317 的 UREF固定在 ,IADJ=50uA， R RP构成取样电路。 实质上电路构成串联型稳压电路， Uo=(1+RP/R1)V。 外。