基于nRF905模塊和C8051F單片機的無線收發系統設計

在閉環鉆井系統中，要求實時地把井下的信息傳遞到地面，以實施人工監控。通常情況下該任務由MWD中泥漿壓力脈沖發生器來完成。當使用井下動力鉆具組合時，近鉆頭傳感器和MWD被動力鉆具隔開。傳感器無法用線纜與MWD連接，因此要把傳感器的信息傳送給MWD只能通過無線通信的方法。

本文設計了由C8051F0606單片機和nRF905無線射頻器收發組成的一種無線數據傳輸系統的方案。該系統由發射和接收模塊組成，發射模塊主要將要發送的數據經單片機處理后，通過nRF905發送出去；在接收模塊中，nRF905則將數據正確接收后通過上位機界面顯示出來，從而實現短距離井下的無線通信。

無線收發系統硬件設計

nRF905模塊簡介

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433MHz、868MHz、915MHz 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。

nRF905 模塊的高頻頭用戶接口電路管腳圖如圖1所示。



圖1 nRF905模塊的高頻頭用戶接口電路管腳

nRF905模塊具有兩種工作模式和兩種節電模式。工作模式包括：ShockBurst 接收模式和ShockBurst 發射模式；節電模式包括：掉電與 SPI 編程模式、待機與SPI編程模式。

系統硬件設計

本無線收發電路主要由C8051F060單片機和無線射頻芯片nRF905組成。系統方框圖如圖2所示。


圖2 無線收發電路系統組成框圖

C8051F350是Silabs公司的一款精確混合信號單片機，片內有8通道16bit的S-D型ADC、128倍PGA、電流型DAC以及VREF等模擬外設，可以方便地與溫度壓力等傳感器直接連接。使用電流型DAC對傳感器進行激勵，傳感器的輸出信號經片內128倍PGA放大后進行A/D轉換，無需額外的信號調理電路。片內8K FLASH，可在線編程和改寫，傳感器的標定參數可以在FLASH中存儲，節省片外存儲器。圖3為系統硬件電路圖。


圖3 nRF905與MCU的電路原理圖

軟件設計

本系統中的無線數據傳輸主要由無線數據收發器nRF905、C8051F單片機和顯示部分組成。nRF905收發器與單片機之間通過SPI口進行通信。因此，軟件設計過程中的重點是nRF905數據的發送和接收過程。

nRF905的數據發送過程

發送數據時的工作流程如圖4所示。當MCU有遙控數據節點時，接收點的地址 (TX- address) 和有效數據 (Tx- payload) 將通過SPI接口傳送給nRF905。設計時應使用協議或MCU來設置接口速度。可用MCU設置TRX-CE，并使TX- EN為高電平來激活nRF905的ShockBurst傳輸。通過nRF905的ShockBurst可使無線系統自動上電，并完成數據包 (應加前導碼和CRC校驗碼) 的數據碼發送。



圖4 發射數據流程

nRF905的數據接收過程

當系統接收數據時，其接收數據流程圖如圖5所示。系統的工作過程如下：

首先，在650μs以后，nRF905將不斷監測空中的信息。當nRF905發現有和接收頻率相同的載波時，其載波檢測 (CD) 被置為高電平；此后，當nRF905接收到有效地址時，地址匹配 (AM) 被置為高電平；當nRF905接收到有效的地址包 (CRC校驗正確) 時，nRF905將去掉前導碼、地址和CRC位，同時將數據準備就緒位 (DR)置為高電平，并用MCU設置TRX- CN為低電平，以進入standby模式，從而使MCU能夠以合適的速率通過SPI接口讀出有效的數據；當所有的數據讀出，nRF905將AM和DR設置為低電平，以便使nRF905準備進入ShockBurst RX、ShockBurst TX或Powerdown模式。


圖5 接收數據流程圖

用戶界面的設計

本軟件采用VB界面設計。將井下接收到并采集后的數據通過單片機顯示在PC機上，可以清楚地看到井下的相關數據信息。如圖6所示，是一組井下信息采集后通過無線傳輸的方式，將傳感器輸出的數據傳輸到MWD上。

圖6中通道1至通道15分別實測井參數量化臺階數轉換過后的模擬電壓值，其中包括壓力、溫度、濕度、三軸重力加速度傳感器輸出值（Gx、Gy、Gz）以及翼肋位移等等。在實際應用中可較為直觀地顯示出來。


圖6 用戶交互界面

結論

系統調試成功后，進行了多次數據傳輸實驗。本系統通過了實際數據通信實驗的驗證，運行穩定，通信可靠，能夠實現100米左右的無線通信。從實驗數據可知，無線信號在井下傳輸環境下的損耗遠大于室外環境，在同等條件下，誤碼率主要與距離延伸有關。本系統還可以應用于點對點、點對多點通信的一些實際工作環境中。