現行市場上的LED屏，多采用異步串口、TCP/IP接口等有線和GPRS無線進行通信。對于裝修計劃中的LED屏，即使提前布線或預留線纜空間，在線纜損壞或調試LED屏還是有諸多不利條件。技術成熟的GPRS無線模塊，價格昂貴，不適用于大眾場合。針對普遍使用的串口通信控制的LED屏，本文介紹了采用nRF905芯片為核心的硬件電路，論述了無線通信系統中的功耗估計、速率適配、串口與無線的通信協議設計和嵌入式單片機的軟件設計，實現單片機控制串口的無線通信。

　　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 9 V穩壓到DC 3.3 V，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16 KB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50 Kb/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9 600 b/s或115 200 b/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)單片機ATmega16A的耗散功率條件：溫度，25℃;單片機工作晶振：1 MHz;工作電壓，3.3 V。

　　激活模式：功率P=0.6×3.3=1.95 mW

　　空閑模式：功率P=0.2×3.3=0.66 mW。

　　(2)芯片MAX232的耗散功率工作電壓：V=3.3 V。

　　最大工作電流：I=1 mA。

　　典型工作電流：I=0.3 mA。

　　則最大功耗：P=VI=3.3 mW。

　　典型功耗：P=W=0.99 mW。

　　(3)無線模塊的功率計算

　　發送模式的功耗：P=30×3.3=99 mW。

　　接收模式的功耗：P=12.2×3.3≈41 mW。

　　(4)穩壓芯片LM 1117的耗散功率

　　輸入電壓：Vin=9 V。

　　輸出電壓：Vout=3.3 V。

　　系統工作電流I=(0.6+1+30)=31.6 mA。

　　則功耗P=(Vin-Vout)×I=180.12 mW。

　　(5)總功率的計算

　　系統最大功耗：

　　P=180.12+1.95+3.3+99=284.37 mW

　　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32 B，所以最大數據包長度為30 B。大于30 B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。

　　2.3.1 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9 600b/s時，中斷間隔小于1 ms。設置定時器的時長1.5 ms，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。