基于nRF905的无线呼叫系统硬件电路设计分析
来源：UC论文网2015-12-01 18:07
摘要：
摘要：无线呼叫系统广泛应用于各种需要即时响应的服务领域，稳定可靠的呼叫系统极大的提高了服务管理水平。呼叫系统经历了有线呼叫系统、无线呼叫系统、视频呼叫系统等几个阶
摘要：无线呼叫系统广泛应用于各种需要即时响应的服务领域，稳定可靠的呼叫系统极大的提高了服务管理水平。呼叫系统经历了有线呼叫系统、无线呼叫系统、视频呼叫系统等几个阶段，无线呼叫系统以其电路简单，工作稳定可靠的特点，得到了极大的应用。
关键词:无线呼叫、单片机、无线通信，中继
随着生活节奏的加快及信息科学技术的发展，在医院、学校、小区等需要即时响应的服务领域，呼叫系统得到了广泛的应用。自20世纪80年代开始使用电话进行呼叫以来，伴随着电子科技的高速发展，呼叫系统经历了有线到无线，从简单的语音呼叫，发展到视频传输；从手工记录数据到数据信息的自动存储，呼叫系统从功能、时效及自动化等方面，都有了很大的发展。本研究主要进行基于nRF905的无线呼叫系统硬件电路的设计研究。
一、系统的组成结构
1、系统结构图
为提高本系统的工作可靠性，本研究通过对除数数据信息进行编码校验，并重发传输失败或错误的数据来实现。系统结构图如下：
如图可知，无线呼叫系统主要有一台主机，若干分机及若干中继器组成。其中中继器的多少可根据系统呼叫距离而定，分机在遵循通讯距离最短的原则下，可注册到主机或中继器。
2、系统的工作流程
(1)分机与主机呼叫通信流程
分机呼叫主机：按下分机呼叫按键，呼叫信号调制在载波上经无线发射模块发射出去，在距离较远需要中继器时，中继器接收该信号，并按通信协议上船至主机；不需要中继器的场合，则信号直接由主机接收。主机接收到信号后，进行ID检测，确认呼叫分机的身份。确认呼叫来自本系统，并甄别分机号码后，下传应答信号。若一次呼叫不成功，则隔时继续呼叫。
（2）在路故障检测
主机定时向各中继器发送检测信号，中继器无条件即时应答。主机在规定时间接收到中继器应答信号，则显示该通道工作正常，负责进行故障显示。
二、硬件电路设计
1、无线通信模块电路的设计
无线通信模块是本系统的核心组成部分，其性能的好坏直接更换系到系统的稳定性及可靠性。本系统芯片采用挪威Nordic公司生产的无线数传芯片nRF905，具有较小的工作电流和较低的工作电压，以100Kbps速率进行通信，其工作频率在433MHz的ISM频段，穿透能力强，传输距离较远，可实现室内的较远距离传输。nRF905接口引脚功能如下[1]：
+3V、GND：电源，3V供电
POWER：电源控制，低电平：掉电状态，高电平：工作，
TX：发送、接收数据控制端口，高电平：发送数据；低电平：接收数据。
TRX：收、发使能端，高电平：收、发工作状态，低电平：编程或待机状态
CD：载波检测输出，高电平有效
AM：地址匹配输出，高电平有效
DR：数据就绪输出，高电平有效
MISO、MOSI、SCK、CSN：SPI接口
其电路设计如下：
该电路电路元件少，与单片机接口电路简单，TRX、TX、POWER逻辑组合控制nRF905的四种工作模式：待机和SPI编程模式；掉电和SPI编程模式；接收模式；发射模式。
2、主机硬件电路设计
（1）主机电路结构图
主机电路组成框图如下：
其中系统主机需要具有大的存储容量，且具有非易失存储能力，本系统主机选用STC89C58RD+单片机，其资源如下[2]：
A．ROM空间：32KB
B．RAM空间：256B，XRAM：1KB
C．EPROM：16KB
（2）键盘电路的设计
键盘占用8个IO口，采用４×４矩阵键盘，在工作时，定时对键盘进行扫描，记录每次扫描的值。通过对缓冲区数据的判断，就可以识别出按键并完成消抖。
（3）液晶显示电路设计
该液晶显示电路每屏可以显示４×８个汉字，并结合按键，做成菜单形式。未按键操作时显示时间和日历，按键时，显示当前操作功能，提示用户操作。
（4）时钟电路设计
实时钟电路采用DALLAS公司生产的DS1302[3]芯片，有时钟和日历功能，闰年自动调整；为省I/O资源，用串行数据传输；平时因芯片由系统电源提供电能，同时给备用电池充电，以储备电能，掉电时芯片电源切换，使用备用电源供电。
3、分机按键电路及中断唤醒设计
系统分机要求具有工作电压底，工作电流小，且具有非易失存储器，选用STC12LE4052AD单片机。
分机采用电池供电，要求具有节电设计。本系统采用掉电电流极小的STC12LE2052AD单片机，在掉电模式下能通过按键中断唤醒功能。当有按键按下时，触发外部中断，电路进入正常工作状态，完成一次呼叫过程以后，系统进入掉电模式，此时电路几乎不消耗能量。当有键按下时，比如S1按下，则在INT0引脚上将产生一个下降沿，触发外部中断，单片机处理中断程序，发出呼叫信息。当呼叫完成以后，进入掉电模式时，电流消耗极小。电容C1、C2、C3用来保证一次按键有且仅有一次触发中断，同时可避免按键长时间按下的耗电。
三、结束语
本系统硬件电路主要设计了无线通信模块与主机、分机主要电路，根据系统的功能需求的不同，可以进行其他特殊功能电路的设计。硬件电路设计完成后，要使系统正常高效的工作，还需要在满足通信协议的情况下，进行硬件系统的程序设计。
参考文献：
[1]杨进宝，无线医疗呼叫系统的设计，湖南师范大学硕士论文，2010/10
[3]赵海兰，朱剑，赵祥伟．DS1302实时显示时间的原理与应用[J]．电子技术，2004，(1)：43-46．
作者：颜克坪，1972年12月出生，湖南澧县人，长沙市电子工业学校教师，参与湖南省教育厅科技处课题《基于CAN总线的停车场智能引导系统架构研究》，课题号11c0099，排名第一。
关键词:无线呼叫、单片机、无线通信，中继
随着生活节奏的加快及信息科学技术的发展，在医院、学校、小区等需要即时响应的服务领域，呼叫系统得到了广泛的应用。自20世纪80年代开始使用电话进行呼叫以来，伴随着电子科技的高速发展，呼叫系统经历了有线到无线，从简单的语音呼叫，发展到视频传输；从手工记录数据到数据信息的自动存储，呼叫系统从功能、时效及自动化等方面，都有了很大的发展。本研究主要进行基于nRF905的无线呼叫系统硬件电路的设计研究。
一、系统的组成结构
1、系统结构图
为提高本系统的工作可靠性，本研究通过对除数数据信息进行编码校验，并重发传输失败或错误的数据来实现。系统结构图如下：
如图可知，无线呼叫系统主要有一台主机，若干分机及若干中继器组成。其中中继器的多少可根据系统呼叫距离而定，分机在遵循通讯距离最短的原则下，可注册到主机或中继器。
2、系统的工作流程
(1)分机与主机呼叫通信流程
分机呼叫主机：按下分机呼叫按键，呼叫信号调制在载波上经无线发射模块发射出去，在距离较远需要中继器时，中继器接收该信号，并按通信协议上船至主机；不需要中继器的场合，则信号直接由主机接收。主机接收到信号后，进行ID检测，确认呼叫分机的身份。确认呼叫来自本系统，并甄别分机号码后，下传应答信号。若一次呼叫不成功，则隔时继续呼叫。
（2）在路故障检测
主机定时向各中继器发送检测信号，中继器无条件即时应答。主机在规定时间接收到中继器应答信号，则显示该通道工作正常，负责进行故障显示。
二、硬件电路设计
1、无线通信模块电路的设计
无线通信模块是本系统的核心组成部分，其性能的好坏直接更换系到系统的稳定性及可靠性。本系统芯片采用挪威Nordic公司生产的无线数传芯片nRF905，具有较小的工作电流和较低的工作电压，以100Kbps速率进行通信，其工作频率在433MHz的ISM频段，穿透能力强，传输距离较远，可实现室内的较远距离传输。nRF905接口引脚功能如下[1]：
+3V、GND：电源，3V供电
POWER：电源控制，低电平：掉电状态，高电平：工作，
TX：发送、接收数据控制端口，高电平：发送数据；低电平：接收数据。
TRX：收、发使能端，高电平：收、发工作状态，低电平：编程或待机状态
CD：载波检测输出，高电平有效
AM：地址匹配输出，高电平有效
DR：数据就绪输出，高电平有效
MISO、MOSI、SCK、CSN：SPI接口
其电路设计如下：
该电路电路元件少，与单片机接口电路简单，TRX、TX、POWER逻辑组合控制nRF905的四种工作模式：待机和SPI编程模式；掉电和SPI编程模式；接收模式；发射模式。
2、主机硬件电路设计
（1）主机电路结构图
主机电路组成框图如下：
其中系统主机需要具有大的存储容量，且具有非易失存储能力，本系统主机选用STC89C58RD+单片机，其资源如下[2]：
A．ROM空间：32KB
B．RAM空间：256B，XRAM：1KB
C．EPROM：16KB
（2）键盘电路的设计
键盘占用8个IO口，采用４×４矩阵键盘，在工作时，定时对键盘进行扫描，记录每次扫描的值。通过对缓冲区数据的判断，就可以识别出按键并完成消抖。
（3）液晶显示电路设计
该液晶显示电路每屏可以显示４×８个汉字，并结合按键，做成菜单形式。未按键操作时显示时间和日历，按键时，显示当前操作功能，提示用户操作。
（4）时钟电路设计
实时钟电路采用DALLAS公司生产的DS1302[3]芯片，有时钟和日历功能，闰年自动调整；为省I/O资源，用串行数据传输；平时因芯片由系统电源提供电能，同时给备用电池充电，以储备电能，掉电时芯片电源切换，使用备用电源供电。
3、分机按键电路及中断唤醒设计
系统分机要求具有工作电压底，工作电流小，且具有非易失存储器，选用STC12LE4052AD单片机。
分机采用电池供电，要求具有节电设计。本系统采用掉电电流极小的STC12LE2052AD单片机，在掉电模式下能通过按键中断唤醒功能。当有按键按下时，触发外部中断，电路进入正常工作状态，完成一次呼叫过程以后，系统进入掉电模式，此时电路几乎不消耗能量。当有键按下时，比如S1按下，则在INT0引脚上将产生一个下降沿，触发外部中断，单片机处理中断程序，发出呼叫信息。当呼叫完成以后，进入掉电模式时，电流消耗极小。电容C1、C2、C3用来保证一次按键有且仅有一次触发中断，同时可避免按键长时间按下的耗电。
三、结束语
本系统硬件电路主要设计了无线通信模块与主机、分机主要电路，根据系统的功能需求的不同，可以进行其他特殊功能电路的设计。硬件电路设计完成后，要使系统正常高效的工作，还需要在满足通信协议的情况下，进行硬件系统的程序设计。
参考文献：
[1]杨进宝，无线医疗呼叫系统的设计，湖南师范大学硕士论文，2010/10
[3]赵海兰，朱剑，赵祥伟．DS1302实时显示时间的原理与应用[J]．电子技术，2004，(1)：43-46．
作者：颜克坪，1972年12月出生，湖南澧县人，长沙市电子工业学校教师，参与湖南省教育厅科技处课题《基于CAN总线的停车场智能引导系统架构研究》，课题号11c0099，排名第一。
