1 引言
在許多測控現場，傳統數據傳輸都是通過有線電纜實現的。隨著射頻、集成電路技術的發展，無線通信功能的實現更容易，數據傳輸速率更快，抗干擾能力更強，因此，許多應用采用了無線傳輸技術。無線數據傳輸與有線數據傳輸相比，有諸多優點：一是成本低，省去大量布線；二是建網快捷，只需在每個終端連接無線數據傳輸模塊和架設適當高度天線；三是適應性好，可應用于某些特殊環境；四是擴展性好，只需將設備與無線數據傳輸模塊相連接。因此，無線傳輸是一種有效數據傳輸方式。
2 nRF905簡介
nRF905是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器，工作電壓為1.9 V～3.6 V。工作于433 MHz、868 MHz、915 MHz 3個ISM頻段，頻道轉換時間小于650μs，最大數據速率為100 Kbit／s。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和GFSK調制器組成。無需外加聲表面濾波器，ShockBurst工作模式，自動處理字頭和CRC，使用SPI接口與微控制器通信，配置方便。此外，其功耗低，以-10 dBm輸出功率發射時電流僅11 mA，工作在接收模式時電流為12.5 mA，具有空閑模式與關機模式，易于實現功率管理。
nRF905具有兩種工作模式和兩種省電模式。工作模式包括：ShockBurst接收模式和ShockBurst發射模式。省電模式包括：掉電與SPI編程模式和待機與SPI編程模式。模式選擇由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP確定，如表1所示。
nRF905 采用Nordic NLSI公司的ShockBurst技術。ShockBurst技術使nRF905能夠提供高速的數據傳輸而無需昂貴的高速MCU進行數據處理和時鐘覆蓋。nRF905為微控制器提供一個SPI接口，速率由微控制器設定的接口速度決定。在ShockBurst工作模式下，nRF905以最大速率連接減小數字應用部分的速度降低應用平均電流消耗。在ShockBurst接收模式下，地址匹配(AM)和數據準備就緒(DR)信號通知MCU一個有效的地址和數據包，表明各自己接收完成。在ShockBurst發射模式下，nRF905自動產生前導碼和CRC校驗碼，數據準備就緒(DR)信號通知MCU數據傳輸完成。總之，降低了MCU的存儲器需求，即降低了MCU成本，縮短軟件開發時間。
nRF905的所有配置是通過SPI接口完成。SPI對外由SCK、MISO、MOSI、CSN 4個引腳組成，對應5個內置寄存器和1個SPI指令集。5個內置寄存器分別是狀態寄存器、RF配置寄存器、發送地址寄存器、發送有效數據寄存器、接收有效數據寄存器。某個SPI指令的設置決定了相應的功能。只有當nRF905處于待機或掉電狀態，SPI接口才工作。任何一條指令均從CSN的由高到低的轉換開始。寄存器操作時，每次只能讀／寫一個字節，或者先給出讀／寫的開始字節地址，然后再進行讀／寫操作。
3 系統設計
3.1硬件電路設計
系統硬件電路是以單片機和nRF905為核心元件，由單片機的I／O端口分別控制nRF905的狀態接口、模式接口和SPI接口，如圖1所示。其中，單片機選用Microchip公司的PIC16F876，該單片機采用2層流水線結構設計，內置8 KB×14 Flash程序存儲器，368 Byte數據存儲器，256 Byte EEPROM數據存儲器，13個中斷源，PORTA、PORTB、PORTC 3個I／O端口，3個定時器和1個看門狗定時器，2個CCP模塊，支持串行USART模塊等，適用于無線傳輸系統的控制，同時，系統具有良好的電源管理，設計了LC-π型濾波電路，可有效隔離數字電路與nRF905電路的電源。
另外，系統還加強了PCB的電磁兼容性設計。采用了雙面板設計，并保留底層作為接地面；電源濾波電容盡量靠近nRF905放置，采用電容并聯方式；nRF905所有的電源和旁路電容的接入點都要盡量靠近引腳；接地引腳直接通過孔與底面的地層連接；所有的開關數字信號和控制信號都遠離晶體振蕩器和電源線。
3.2通信協議設計
nRF905內置簡單的通信協議，收發雙方采用CRC校驗。一旦CRC校驗出錯，當前數據就會丟失。因此，在內置協議的基礎上，設計了完整通信協議。該協議由單片機軟件控制實現，采用"誤碼--中斷--重發"機制，如果通信中出現誤碼，單片機在正常的通信流程中產生中斷，重新發送和接收剛才CRC出錯的數據，確保通信成功。根據收發兩端的不同任務，整個協議分為主控協議和從控協議。
無線通信協議是由單片機軟件控制實現的，相據通信雙方各自的特點分為M端協議和S端協議兩部分。其中，M端協議在無線通信協議中具有主控作用。
3.2.1 M端協議設計
M 端協議主要是從保證可靠接收的角度考慮，程序流程圖如圖2所示。采用nRF905的CD／AMDR信號作為狀態查詢，進行正常狀態下的快速判斷和接收。正常情況下，當M系統發送控制指令后進入接收模式，等待來自S系統的數據。與此同時，S系統在收到M系統的指令后，立即回傳數據，M系統收到后，本次通信結束。但是，如果S系統根本就沒有收到M系統發送的指令，或者S系統雖然收到M系統發的指令且也回傳了數據，但M系統卻沒有像預期的那樣收到該數據，則勢必造成了M系統和S系統都處于接收狀態，等待來自于對方的數據，單片機的程序則停留在死循環.
為了避免陷入死循環，在單片機程序中專門設計了中斷子程序，用于處理此類情況。中斷子程序采用的中斷源是TMR1定時器。一旦死循環運行超時，就會觸發TMR1中斷，程序跳轉到中斷子程序。中斷子程序的任務是打破當前的僵局，使雙方的程序運行都能回到正常的軌道上。考慮到S系統此時處于接收模式，正在等待來自M系統的指令，所以，M系統在中斷子程序中重發上一條指令，然后返回主程序中，繼續查詢CD／AM／DR信號的狀態，等待來自S系統的數據。而 S系統收到該指令后判斷是否是S端協議內容。通過M端重發指令的方式，使雙方再建立一次通信，跳出上一次的死循環。如果本次通信仍然不成功，那么單片機程序會遵循中斷一重發機制運行，直到通信成功為止。當然，如果通信雙方的距離已經超出了信號的有效覆蓋范圍，通信是不會成功的。
3.2.2 S端協議設計
S 端的協議處于從控位置，相對簡單。設計中，仍然通過查詢nRF905的CD／AM／DR狀態接收指令，關鍵要解決指令的判讀問題，即分清是正常流程內指令還是重發指令。這一問題在沖擊波存儲測試系統的工作參數設定階段不存在，因為每一個參數設定指令都不一樣，S端第一次收到某個指令肯定是正常流程內指令，第二次收到該指令則肯定是重發的指令。但在讀數階段就不同了，因為存儲數據可能有幾兆字節，如此大的數據量需要拆成無數個包才能發送，而M端不可能每讀一次都使用不同的指令。為此，S端協議采用兩個讀數指令K1和K2，循環發送。K1之后收到K2或K2之后收到K1均為正常，S端協議從測試系統讀取存儲數據并緩存到內部寄存器，然后無線發送出去。若連續收到兩個相同的指令，說明M端沒有收到剛才的數據，此時，S端從內部寄存器中讀取剛才的數據，進行無線重發，而不再從測試系統中讀取。S端的協議流程如圖3所示。
4 結束語
系統調試成功后，進行了多次數據傳輸實驗，從實驗數據可得，無線信號在室內傳輸環境下的損耗要遠大于室外街道環境；在同等條件下，誤碼率主要與距離延伸有關；過往車輛對數據傳輸影響不大。該無線數據傳輸系統已成功應用于多個存儲測試系統中。實現了控制指令和測試數據的無線傳輸