基于nRF24L01和PIC16F877的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

　　在工業(yè)控制現(xiàn)場， 常常需要采集大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)， 如溫度、濕度、氣壓等， 并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C進行處理，由主機根據(jù)處理的結(jié)果， 將控制信號傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行模塊進行各種操作?？梢钥闯鰯?shù)據(jù)從采集設(shè)備到處理終端，監(jiān)測控制指令從處理終端到采集設(shè)備，均需經(jīng)過傳輸過程這一重要環(huán)節(jié)。當數(shù)據(jù)采集點處于運動狀態(tài)，或者所處的環(huán)境不允許鋪設(shè)電纜，采集設(shè)備必須與終端設(shè)備分離，此時只能通過無線方式進行數(shù)據(jù)傳輸。基于此，本文設(shè)計了一個無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，它應用Microchip公司的PIC16F877單片機控制Nordic公司的無線數(shù)字傳輸芯片nRF24L01 ，通過無線方式進行數(shù)據(jù)雙向傳輸。實驗結(jié)果證明：該系統(tǒng)使用靈活、成本低廉，可方便地嵌入到無線監(jiān)測系統(tǒng)中。

　　nRF24L01芯片的介紹

　　nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段。工作電壓為1.9～3.6 V，有多達125個頻道可供選擇?？赏ㄟ^SPI寫入數(shù)據(jù)，最高可達10 Mb／s，數(shù)據(jù)傳輸率最快可達2 Mb／s，并且有自動應答和自動再發(fā)射功能。和上一代nRF2401相比，nRF2401數(shù)據(jù)傳輸率更快，數(shù)據(jù)寫入速度更高，內(nèi)嵌的功能更完備。

　　芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融進了增強式ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有9 mA，接收時工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式）使節(jié)能設(shè)計更方便。

　　系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　圖1為系統(tǒng)設(shè)計總體框圖。此無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主控制芯片采用Microchip公司的PIC16F877微處理器，它負責控制無線芯片L01，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。為了進行多通道的數(shù)據(jù)采集，這里采用10片A/D進行分時采樣，它們的工作時序則由CPLD來控制，每路采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機處理后無線發(fā)射，至于何時采樣，則由單片機發(fā)的Trigger信號決定。 在與計算機的通訊方面，系統(tǒng)采用USB芯片通過USB口將無線接收數(shù)據(jù)送入計算機，并存儲在一個二進制文件內(nèi)，當傳輸完畢后，運行VB讀數(shù)軟件，可將采集的信號讀出以供分析。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　數(shù)據(jù)采集部分

　　數(shù)據(jù)采集部分主要由傳感器、低通濾波放大器、A/D以及CPLD組成，電源管理則主要為各個芯片提供合適工作電壓，并為CPLD提供1MHZ主時鐘輸入。此系統(tǒng)采用10片AD7492，可進行10路模擬信號的采樣。CPLD主要控制10片A/D的采樣和讀數(shù)時序，采樣率由CPLD內(nèi)部分頻器和無線傳輸率大小決定。為了配合無線傳輸模塊的工作，這里采用觸發(fā)采樣。即在CPLD內(nèi)部設(shè)計D觸發(fā)器，并用VCC連接D輸入端，Trigger信號作為時鐘輸入，如圖2所示。系統(tǒng)上電后，CPLD便檢測其引腳Trigger端，當出現(xiàn)上升沿時， D觸發(fā)器輸出高電平，打開與非門，Convast就會輸出1KHz信號，A/D采樣開始。

　　無線傳輸部分

　　數(shù)據(jù)傳輸主要利用PIC16F877單片機對無線射頻芯片L01的控制實現(xiàn)的。nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHzISM頻段，工作電壓為1.9V～3.6V，工作溫度為- 40℃～+ 85℃，有多達125個頻道可供選擇，最高通信速率2Mbit/s ，具有自動應答和重發(fā)功能，其工作參數(shù)全部通過芯片狀態(tài)字配置，而這些配置字是由PIC16F877通過SPI［1］訪問L01的。L01主要技術(shù)為：

　　工作模式 ：CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ這6個管腳為該芯片的控制引腳。微處理器通過對這6個引腳的控制就可以決定該芯片的工作模式。當PWR_UP、PRIM_RX和CE為“111”時，L01處于接收模式;為“101”時處于發(fā)射模式;為“1X0”時處于空閑模式1;為“0XX”時處于掉電模式。

　　增強型ShockBurst技術(shù)：L01融進了增強型ShockBurst技術(shù)，該項技術(shù)使得雙向通信協(xié)議變得簡單。在一個典型的雙向通信中，接收方在收到發(fā)射方的數(shù)據(jù)時，將會向發(fā)射方回傳一個應答信號，若接收方未收到該數(shù)據(jù)，發(fā)射方在等待一定延遲時間后將自動重發(fā)此包數(shù)據(jù)（在自動重發(fā)功能開啟的情況下），這都不需要CPU的參與。

　　數(shù)據(jù)通道：當L01處于接收狀態(tài)時，它可以接收來自6個不同通道的數(shù)據(jù)。每個通道都有一個屬于自己的通道地址，但共享同一頻道。也就是說，一個配置為接收模式的L01可以和6個配置為發(fā)射模式下的L01進行通信，接收機可以根據(jù)它們的通道地址進行區(qū)分。通道0有一個40位的地址，通道1—5則共享高32位地址，只是低8位不同。每個通道都能開啟自動重發(fā)射和自動應答功能。處于接收狀態(tài)下的L01在回傳應答信號時，將利用該接收通道的地址作為發(fā)射應答信號的發(fā)射地址。在發(fā)射設(shè)備中，通道0常用于接收應答信號。發(fā)射數(shù)據(jù)的地址必須和接收通道0的地址一致 ，這樣才能有效地接收應答信號。

　　數(shù)據(jù)包描述：“1字節(jié)字頭 + 3～5字節(jié)地址 + 9Bit標志位 + 1～2字節(jié)CRC”。 當L01要發(fā)送數(shù)據(jù)時，微控制器要先把地址和有效數(shù)據(jù)寫入L01緩存區(qū)，然后由L01自動產(chǎn)生字頭和CRC校驗碼，之后再發(fā)射出去。

　　USB接口設(shè)計

　　系統(tǒng)采用USB芯片F(xiàn)T245，由單片機控制讀寫操作。FT245提供了一些狀態(tài)標志位（RXF，TXE）供單片機查詢，以便讓單片機發(fā)讀寫脈沖執(zhí)行讀寫操作，控制非常簡單。

　　軟件設(shè)計

　　要設(shè)計好系統(tǒng)的軟件，必須清楚其工作原理：首先給發(fā)射機上電，配置其L01為PRX，使其進入接收模式等待主機的握手指令，此時采集裝置并未開始工作。然后將接收機通過USB接口連接計算機，運行VB程序，點擊開始試驗按鈕，握手指令（H’33’）便通過接收機的L01 （上電配置為PTX）發(fā)射出去，發(fā)射機在接收到握手指令后，還要做出判斷，若不是H’33’，則繼續(xù)等待握手指令;若是，表示雙方建立連接成功，此時發(fā)射機的L01便配置為PTX，同時單片機向采集裝置發(fā)送一脈寬為3.6us的高電平脈沖以激活A/D，使其開始采樣，采樣率為1KHz。由于每路傳感器信號都要被A/D采樣，并轉(zhuǎn)換為12bit數(shù)字量（認為是2 Byte），那么10通道則為20 Byte，經(jīng)過單片機處理后再送入L01打包發(fā)射。350us之后，接收機收到該數(shù)據(jù)，并通過單片機和USB芯片實時寫入計算機緩存區(qū)內(nèi)，這樣雙方數(shù)據(jù)傳輸10000次，每次20Byte，傳輸完畢后數(shù)據(jù)曲線會在VB界面上實時顯示。

　　基于以上分析，該系統(tǒng)軟件分為兩部分：單片機控制程序和計算機界面程序。前者主要完成以nRF24L01為核心的多通道信號的采集和無線傳輸，后者則完成信號的顯示，以供研究人員分析。本文只介紹控制程序，它采用模塊化程序設(shè)計方法， 分為發(fā)射機程序和接收機程序兩部分。其流程圖如圖3所示。

　　由于采集系統(tǒng)以1KHz進行采樣，即每1ms送20Byte數(shù)據(jù)，因此無線部分進行一次傳輸需1ms。若接收機執(zhí)行接收子程序不夠1ms，則必須通過延遲補夠，以和發(fā)射同步。另外，在接收機程序中特設(shè)置800us定時器中斷，以防接收機因接收不到數(shù)據(jù)而長時間等待，影響數(shù)據(jù)的傳輸效率。

　　問題分析

　　本系統(tǒng)在運行時出現(xiàn)了一些問題，使其不能正常工作，現(xiàn)說明如下：

　?、?L01在收發(fā)轉(zhuǎn)換時出現(xiàn)問題;

　　原因：配置字并未寫入L01內(nèi)。

　　② 數(shù)據(jù)傳輸時發(fā)現(xiàn)其低八位為零，但高四位有數(shù);

　　原因：開啟了單片機的PSP功能，導致D口不能用了。

　?、?數(shù)據(jù)傳輸波形圖嚴重失真;

　　原因：無線模塊在收發(fā)同步上存在問題，數(shù)據(jù)包之間沒有一一對應。

　　實驗結(jié)果

　　本系統(tǒng)需進行10000次數(shù)據(jù)傳輸，每次傳輸20字節(jié)。傳輸數(shù)據(jù)時務(wù)必保證發(fā)射機和接收機的同步性，否則數(shù)據(jù)包之間將會出現(xiàn)錯位，得到的數(shù)據(jù)曲線會嚴重失真，影響分析，所以同步問題在無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)占重要地位?，F(xiàn)附上本系統(tǒng)在同步良好情況下的無線數(shù)據(jù)傳輸波形圖，見圖4。圖中的10條曲線是傳感器信號被10片A/D采樣后經(jīng)無線傳輸至計算機后通過VB界面顯示出的，中間幅值較高的曲線是兩路正弦波，其余為基線。

　　本系統(tǒng)控制方便、工作穩(wěn)定，能實現(xiàn)可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸。經(jīng)大量實驗測得：該系統(tǒng)的平均傳輸率可以達到256Kbps，平均誤碼率只有0.2%，可滿足絕大部分無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?/p>