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來的控制數據，通過無線模塊轉發。圖2為下位機框圖，單片機將無線模塊收到的數據，通過串口發給LED屏的電路控制板。LED屏回復數據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進行邏輯電平的轉換。系統采用高性能、低功耗的8位AVR微處理器ATmega16A單片機。該單片機具有16KB的系統內可編程FLASH、512 B的E2PROM和1 KB的SRAM，供嵌入式軟件使用；在線調試的JTAG端口，豐富了系統的調試手段；獨立的定時器和可編程的串口，加強了系統的功能。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調制，使用開放的ISM頻段，工作速率可達50 Kb/s，收發模式切換時間短，功耗低，內置硬件CRC校驗和點對多點的通信地址控制，這些優點特別適合工業控制場合。

1.3 可行性分析

1.3.1 通信速率

nRF905無線收發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加上起始位、停止位和奇偶校驗位，經計算，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轉發串口數據進行通信。

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
     系統最大功耗：
     P=180.12+1.95+3.3+99=284.37mW
     經功耗估計，系統功耗較小，因此可以使用DC 9V電池供電。設計系統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

實現無線通信的系統電路板布局如圖3所示。

2 軟件設計

2.1 通信協議

(1)串口通信協議。設計串口通信協議：1位起始位，8位數據位，“空格”校驗位，1位停止位。

(2)數據通信協議。設計串口發送數據的通信協議：串口發送數據的第1個和第2個字節是0xF6、0x5A，作為包頭，第3個字節和第4個字節為數據長度的一半，數據最后的2個字節為校驗字節。LED屏控制卡回復數據為4個字節，第1個字節和第2個字節為為發送數據的前2個字節，后2個字節為發送數據的最后2個字。

(3)無線收發數據協議。無線通信的數據采取分包發送的機制。無線通信協議設計如下：第1個字節為包頭0xF6，第2個字節為數據的長度，該字節的首位置1，此包數據為最后一包，該字節的首位置0，此包數據非最后一包。由于無線芯片一包最大發送或接收字節數32B，所以最大數據包長度為30B。大于30B的數據，將分包發送。

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(發送模式)；節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 基于狀態機的嵌入式軟件設計

2.3.1 系統初始化

系統初始化主要包括：端口、串口、SPI總線、無線芯片、定時器和鏈表。狀態機的初始化包括：初始狀態、各個狀態的初始條件等。根據數據發送和接收的流程，設計狀態機的5種狀態：待機狀態ST_STAND_BY；串口接收狀態(PC端)ST_UART_RECV；無線接收狀態(LED屏端)ST_WAVE_RECV；串口等待狀態(LED屏端)ST_UART_WAIT；無線等待狀態(PC端)ST_WAVE_WAIT。

2.3.2 狀態機的狀態觸發與轉換

上位機在中斷中接收PC機發送的控制數據，存儲在循環鏈表中，通過無線芯片分包發送；上位機查詢無線芯片接收回復數據，通過串口發給PC機上的控制軟件；上位機狀態觸發與轉換關系如圖4所示。下位機查詢接收無線模塊發送的數據，通過串口轉發給LED屏控制卡；LED屏控制卡的回復數據，下位機在中斷中接收，通過無線發送；下位機狀態觸發與轉換關系如圖5所示。圖4和圖5共同完成1次數據應答。

2.3.3 定時器的數據收發檢測

(1)串口接收數據完的檢測。串口的數據接收是在中斷中完成的，因此在中斷中對定時器置數，中斷外面減數。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，則意味著串口數據接收完成。
     (2)無線發送接收數據的檢測。嵌入式程序中多處用到無線收發數據的定時器檢測，根據應用場合，選擇定時器的時長。

3 結語

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，設計了串口通信協議、數據包協議和無線通信協議、論述了基于狀態機的嵌入式軟件設計，實現了系統功能。