基于MCU和nRF24L01的無線通信系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

　　近年來，隨著無線技術(shù)的快速發(fā)展，短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于日常生活中，逐漸形成一個巨大的新興產(chǎn)業(yè)。常用的無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)主要有藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、IrDA技術(shù)、超寬帶技術(shù)等，而藍(lán)牙技術(shù)和Wi-Fi技術(shù)功耗較高，IrDA技術(shù)傳輸速率較低，超寬帶技術(shù)開發(fā)難度較高

　　隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能MCU廣泛地運(yùn)用在嵌入式系統(tǒng)中，完成數(shù)據(jù)的采集、分析、處理與通訊功能。有線模式下的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)，由于受時空、環(huán)境等因素的制約，不能完全滿足所有條件下任務(wù)的執(zhí)行，而通過無線數(shù)據(jù)傳輸方式代替有線數(shù)據(jù)傳輸，則能很好地解決此類問題。綜上論述，文中提出一種基于高性能MCU和nRF24L01的網(wǎng)絡(luò)化無線通信系統(tǒng)的解決方案，穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，滿足各種條件的需要。

　　無線通信主要包括微波通信和衛(wèi)星通信。微波是一種無線電波，它傳送的距離一般只有幾十千米。但微波的頻帶很寬，通信容量很大。微波通信每隔幾十千米要建一個微波中繼站。衛(wèi)星通信是利用通信衛(wèi)星作為中繼站在地面上兩個或多個地球站之間或移動體之間建立微波通信聯(lián)系。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　nRF24L01無線通訊模塊介紹

　　系統(tǒng)選用云佳科技的nRF24L01無線射頻收發(fā)模塊來實(shí)現(xiàn)子母機(jī)間的通訊，它使用Nordic公司的nRF24L01芯片開發(fā)而成，是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，其具有如下性能特點(diǎn)：

　?。?）低工作電源電壓，且范圍廣1.9～3.6 V，體積小巧，能方便集成到各種電子器件。

　　（2）極低的功耗。當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時電流消耗為9 mA，接收模式時為12.3 mA。待機(jī)模式下電流消22μA，掉電模式電流消耗僅為900 nA。

　?。?）無線速率達(dá)到2 Mbit·s-1，SPI接口速率為0～8 Mbit·s-1，具自動應(yīng)答機(jī)制，極大地降低丟包率。

　　（4）擁有自動重發(fā)功能、地址及CRC校驗功能。

　?。?）具有125個可選工作頻道，擁有很短的頻道切換時間，可用于跳頻。

　　nRF24L01引腳封裝如圖1所示。

　　STC12L5608AD芯片簡介

　　STC12L5608AD型MCU是宏晶科技新一代低電壓增強(qiáng)型8051單片機(jī)，該系列單片機(jī)具有如下特性：寬工作電壓（2.1～3.6 V）;具有1個時鐘/機(jī)器周期的高速性能，比普通8051快8～12倍，可用低頻晶振;自帶-8路10位AD轉(zhuǎn)換器等;加密性強(qiáng)，無法解密;超強(qiáng)抗干擾、高抗靜電、輕松過4 kV快速脈沖干擾（EFT測試）、寬溫度范圍（-40～85℃）;超低功耗，正常工作模式2.7～7 mA，空閑模式1.8mA，掉電模式功耗《0.1μA;能在系統(tǒng)編程等。

　　硬件接口電路

　　nRF24L01通過SPI接口與外部單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，CE作為片選端，它與CONFIG寄存器的PWR_UP和PRIM_RX位組合用于選擇芯片的工作方式;CSN為芯片內(nèi)部SPI硬件接口的使能端，低電平有效;SCK為SPI的時鐘輸入端，MOSI為SPI接口的數(shù)據(jù)輸入端，MISO為SPI接口的數(shù)據(jù)輸出端，IRQ為中斷請求端，與單片機(jī)的外部中斷1相連，當(dāng)nRF24L01產(chǎn)生中斷后IRQ將置低，單片機(jī)檢測到此中斷后通過程序得知其與nRF24L01無線射頻模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)情況。通過單片機(jī)與無線通訊模塊的硬件連接，從而實(shí)現(xiàn)模式控制和數(shù)據(jù)交換。圖2給出兩模塊的硬件接口設(shè)計。整個無線通訊系統(tǒng)由3個模塊組成。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)包處理方式

　　將nRF24L01配置成增強(qiáng)型ShockBurst模式，使得雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行更為簡易有效。發(fā)送方要求終端設(shè)備在接收數(shù)據(jù)后有應(yīng)答信號，以便發(fā)送方檢測有無數(shù)據(jù)丟失。一旦數(shù)據(jù)丟失則通過重新發(fā)送功能將丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)。它可以同時控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無需增加MCU工作量。nR F24L01配置為增強(qiáng)型的ShockBurst發(fā)送模式下時，只要MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送，nRF24L01就會啟動ShockBurst模式來發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送完數(shù)據(jù)后nRF24L01轉(zhuǎn)到接收模式并等待終端的應(yīng)答信號。如未收到應(yīng)答信號，nRF24L01將重發(fā)相同的數(shù)據(jù)包，直到收到應(yīng)答信號或重發(fā)次數(shù)超過SETUP _RETR_ARC寄存器中設(shè)置的值為止。如果重發(fā)次數(shù)超過了設(shè)定值，則產(chǎn)生MAX_RT中斷。只要收到確認(rèn)信號，nRF24L01就認(rèn)為最后一包數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送成功，把TX FIFO中的數(shù)據(jù)清除掉并產(chǎn)生TX_DS中斷，IRQ引腳置高。

　　nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的數(shù)據(jù)，如圖3所示。每個數(shù)據(jù)通道使用不同的地址，但共用相同的頻道。即6個不同的nRF 24L01設(shè)置為發(fā)送模式后，可以與同一個設(shè)置為接收模式的nRF24L01進(jìn)行通訊，而設(shè)置為接收模式的nRF24L01可以對這6個發(fā)射端進(jìn)行識別。n RF24L01在確認(rèn)收到數(shù)據(jù)后記錄地址，并以此地址為目標(biāo)地址發(fā)送應(yīng)答信號。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)通道0被用作接收應(yīng)答信號。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

　　圖4為子模塊和主模塊程序設(shè)計流程圖，軟件開發(fā)環(huán)境為KeilC uVision3。

　　程序基本思路為子模塊配置為接收狀態(tài)，如成功接收到數(shù)據(jù)則進(jìn)行EEPROM子程序操作，否則切換成發(fā)射模式，成功發(fā)送并接收到應(yīng)答信號后再變成接收模式，進(jìn)入下一次接收發(fā)射循環(huán);主模塊設(shè)置為接收數(shù)據(jù)信息狀態(tài)，能與多路處于發(fā)射狀態(tài)的數(shù)據(jù)通道進(jìn)行通訊，并從接收到的數(shù)據(jù)中判別數(shù)據(jù)通道口;接收信息后自動回復(fù)應(yīng)答信號。通過切換接收發(fā)射狀態(tài)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對單點(diǎn)的雙向無線數(shù)據(jù)通訊。

　　nRF24L01初始化程序

　　nRF24L01初始化程序包括引腳初始化和中斷初始化。引腳初始化使芯片工作在待機(jī)模式下（CE=0），時鐘設(shè)置SCK低電平，片選不使能（CSN=1），工作在串行輸入狀態(tài)（MOSI=0）;中斷初始化則使能外部中斷（EX1=1），低電平觸發(fā)。

　　nRF24L01配置接收／發(fā)射模式

　　對芯片內(nèi)部的特殊功能寄存器進(jìn)行初始化操作。

　　通過對CONFID配置設(shè)定其工作模式，設(shè)置接收地址，接收有效數(shù)據(jù)寬度、選擇射頻通道、數(shù)據(jù)傳輸率、發(fā)射功率等參數(shù)。配置完成后，置高CE，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)包，如表1所示。

　　單片機(jī)內(nèi)部EEPROM應(yīng)用子程序

　　單片機(jī)內(nèi)部EEPROM應(yīng)用子程序進(jìn)行扇區(qū)的擦除、寫入以及讀出功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的讀取保存。

　　STC12L5608AD單片機(jī)內(nèi)部有8個扇區(qū)，每個扇區(qū)512 Byte。在使用時，統(tǒng)一修改的數(shù)據(jù)放在同一個扇區(qū)。使用ISP/IAP功能，所使用的特殊功能寄存器為ISP_DATA、ISP_ADDRH、ISP_ADDRL、ISP_CMD、ISP_TRIG、ISP_CONTR。扇區(qū)寫入數(shù)據(jù)流程圖如圖5所示，扇區(qū)擦除以及讀操作流程與之類似。

　　Zigbee無線通信跟基于nRF24l01模塊的無線通信有什么區(qū)別

　　無線通信可以使用某種通信協(xié)議如zigbee或者藍(lán)牙什么的，也可以不使用這些規(guī)范的通信協(xié)議。 Zigbee無線通信大多是使用集成這種協(xié)議的RF芯片實(shí)現(xiàn)的； 基于nRF24l01模塊的無線通信；由于nRF24l01射頻芯片自身沒有集成任何協(xié)議，所以基于nRF24l01模塊的無線通信需要自定義通信協(xié)議來使用，控制的方式也有很多種。當(dāng)然也可以使用nRF24l01模塊，同時編程實(shí)現(xiàn)zigbee協(xié)議來控制它，實(shí)現(xiàn)一套基于nRF24l01模塊的Zigbee無線通信系統(tǒng)。