探究nRF401和AT89C2051的無(wú)線數(shù)字通信系統(tǒng)

引言

目前，機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)主要有3種控制方式：第1種稱為遠(yuǎn)程遙控?zé)o智能機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)，主機(jī)通過(guò)無(wú)線方式遙控機(jī)器人；第2種稱為基于視覺(jué)的機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)，主機(jī)通過(guò)處理由攝像機(jī)獲取的信息來(lái)控制機(jī)器人；第3種稱為基于機(jī)器人的機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)，此系統(tǒng)無(wú)需主機(jī)的控制，每個(gè)機(jī)器人通過(guò)自身的傳感器獲取信息并作出判斷。

基于視覺(jué)的足球機(jī)器人系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，其實(shí)現(xiàn)難度適中，而且利于模糊推理、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能領(lǐng)域的研究。從設(shè)備上看，基于視覺(jué)的機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)包括小車、攝像裝置、計(jì)算機(jī)和無(wú)線收發(fā)裝置；從功能上看，基于視覺(jué)的足球機(jī)器人比賽系統(tǒng)由視覺(jué)子系統(tǒng)、決策子系統(tǒng)、通信子系統(tǒng)和機(jī)器人子系統(tǒng)等四個(gè)部分以閉環(huán)系統(tǒng)形式構(gòu)成?；谝曈X(jué)的機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

通信子系統(tǒng)是機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分，其通信性能好壞，將嚴(yán)重影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和比賽的順利進(jìn)行。如果在通信過(guò)程中有誤差，它將導(dǎo)致機(jī)器人小車錯(cuò)誤的動(dòng)作，失去運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)通信子系統(tǒng)的要求是：通信頻率可選，硬件電路結(jié)構(gòu)緊湊，通信速率高和性能穩(wěn)定可靠。為了便于機(jī)器人小車的活動(dòng)，通信子系統(tǒng)一般采用無(wú)線通信方式。

根據(jù)對(duì)通信子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，我們采用微控制器（俗稱單片機(jī)）AT89C2051作為無(wú)線通信子系統(tǒng)的控制核心，并選用基于藍(lán)牙核心技術(shù)的無(wú)線通信芯片nRF401，通信子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。機(jī)器人小車的控制命令由PC機(jī)發(fā)出，PC機(jī)的RS232串口連接到圖2所示的無(wú)線通信子系統(tǒng)的輸入端，控制命令經(jīng)AT89C2051處理后，通過(guò)芯片nRF401以無(wú)線的方式發(fā)送給機(jī)器人小車。

AT89C2051芯片簡(jiǎn)介

微控制器采用美國(guó)Atmel公司的AT89C2051芯片。它的指令系統(tǒng)與MCS-51產(chǎn)品兼容，具有2K字節(jié)可重編程閃速存儲(chǔ)器，128 8位內(nèi)部RAM，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，六個(gè)中斷源，編程串行UART通道，15根可 編程I/O引線。在無(wú)線通信子系統(tǒng)中，AT89C2051完成接收PC機(jī)從RS232串口送來(lái)的機(jī)器人小車控制指令，并將控制指令經(jīng)無(wú)線通信芯片nRF401送給機(jī)器人小車子系統(tǒng)。

nRF401芯片介紹

nRF401［3］是由挪威Nordic VLSI ASA公司推出的集收、發(fā)于一體的無(wú)線通信芯片，在一個(gè)20管腳芯片內(nèi)集成了高頻發(fā)射、高頻接收、FSK調(diào)制與解調(diào)、PLL鎖相環(huán)、放大器等單元電路。工作于433MHz ISM頻段，采用FSK調(diào)制與解調(diào)技術(shù)，數(shù)據(jù)通信速率高達(dá)20kb/s，最大傳輸功率為+10dBM，并可以調(diào)整傳輸功率，差分式天線接口，非常適合做成PCB天線，以節(jié)約成本。

n RF401的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。nRF401的配置電路圖如圖4所示。

無(wú)線通信子系統(tǒng)電路原理圖

無(wú)線通信子系統(tǒng)電路原理圖如圖5所示。CPU選用AT89C2051，它既接收來(lái)自上位機(jī)（PC機(jī)）的數(shù)據(jù)，同時(shí)又將從PC機(jī)接收的數(shù)據(jù)通過(guò)nRF401以廣播形式發(fā)送給每個(gè)機(jī)器人小車子系統(tǒng)，每個(gè)機(jī)器人小車子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的識(shí)別碼，從接收緩沖區(qū)取出左右輪速度值，從而控制機(jī)器人小車的運(yùn)動(dòng)。

AT89C2051微控制器的RXD/p3.0口與電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232相連，MAX232通過(guò)DB_9/male插頭與PC機(jī)的RS232串口相接，用以接收PC機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的命令控制字。AT89C2051微控制器的TXD/p3.1口與nRF401的DOUT/pin9腳相接，結(jié)合其他的控制引腳，AT89C2051控制nRF401的無(wú)線發(fā)射過(guò)程，用來(lái)完成將命令控制字經(jīng)nRF401實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸給機(jī)器人小車。AT89C2051微控制器的P1.0、P1.1、P1.2分別與nRF401的CS、PWR_UP、TXEN相連接。

基于ERTOS的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

通信格式

nRF401可以使用全雙工模式，因此，機(jī)器人小車子系統(tǒng)不但可以接收主機(jī)發(fā)出的命令，而且可以向主機(jī)發(fā)出信息，甚至可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人小車子系統(tǒng)之間的通信。但是當(dāng)信息量過(guò)大時(shí)，有可能發(fā)生通信死鎖，所以應(yīng)考慮通信協(xié)議的設(shè)計(jì)。為確保通信的順暢，我們 只允許主機(jī)向機(jī)器人發(fā)送命令，而禁止其他形式的通信。命令控制字的具體格式如下：

其中Si（i=1，2，3，。。.），為i號(hào)機(jī)器人小車標(biāo)識(shí)；

Li（i=1，2，3，。。.），為i號(hào)機(jī)器人小車左輪速度；

Ri（i=1，2，3，。。.），為i號(hào)機(jī)器人小車右輪速度。

PC機(jī)發(fā)給每個(gè)機(jī)器人小車的控制命令字包括3個(gè)字節(jié)，第1字節(jié)是小車標(biāo)號(hào)，第2字節(jié)是該小車左輪速度，第3字節(jié)是該小車右輪速度。一次性將所有機(jī)器人小車的控制命令打包發(fā)送。每個(gè)小車都能接收到PC機(jī)發(fā)送的每1條指令，機(jī)器人小車子系統(tǒng)上的通信專用MCU對(duì)標(biāo)識(shí)信號(hào)進(jìn)行比較，相符則隨后數(shù)據(jù)有效，否則不予接收。

軟件設(shè)計(jì)

為 了能夠?qū)崟r(shí)地完成無(wú)線通信的目的，系統(tǒng)的軟件我們用C51語(yǔ)言編寫(xiě)，并采用 Keil Vision2 6.20集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中的RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)來(lái)完成無(wú)通信子系統(tǒng)中微控制器AT89C2051的軟件設(shè)計(jì)。RTX51 Tiny實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是德國(guó)Keil公司開(kāi)發(fā)的一種應(yīng)用于MCS-51系列單片機(jī)功能強(qiáng)大的、可用于目前世界上由Intel 8051標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)核派生出的很多種增強(qiáng)型微控制器的實(shí)時(shí)操作 系統(tǒng)。

RTX51 Tiny短小精悍，只占用900字節(jié)ROM、7字節(jié)DATA型及3倍于任務(wù)數(shù)量的IDATA型RAM空間，可以很容易地運(yùn)行在沒(méi)有擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器的單片機(jī)系統(tǒng)上。使用RTX51 Tiny的用戶程序可以訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，允許循環(huán)任務(wù)切換，并且支持信號(hào)傳遞和事件驅(qū)動(dòng)，還能并行地利用中斷功能。RTX51 Tiny允許“準(zhǔn)并行”地同時(shí)執(zhí)行16個(gè)任務(wù)。

根 據(jù)對(duì)無(wú)通信子系統(tǒng)功能的分析，我們把軟件分解為三個(gè)任務(wù)，各任務(wù)之間的運(yùn)行關(guān)系如圖6所示。這三個(gè)任務(wù)的具體情況如下。

任務(wù)0：系統(tǒng)初始化，如設(shè)置MCU的串行口工作在方式1，并設(shè)置波特率為9600bps。在啟動(dòng)任務(wù)1和任務(wù)2后自動(dòng)刪除任務(wù)0，使得任務(wù)0只在系統(tǒng)復(fù)位時(shí)執(zhí)行一次。

任務(wù)1：接收PC機(jī)的命令控制字。若接收到了命令控制字則向任務(wù)2發(fā)送觸發(fā)信號(hào)。

任 務(wù)2：等待觸發(fā)信號(hào)，若SIGNAL被置 位，則控制nRF401并將命令控制字傳送給nRF401，完成無(wú)線發(fā)射。

結(jié)束語(yǔ)

人 類對(duì)機(jī)器人的研究已走過(guò)了漫長(zhǎng)的歷程。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)機(jī)器人的要求也隨之越來(lái)越高而現(xiàn)實(shí)。在機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，不僅需要機(jī)器人學(xué)、通信與計(jì)算機(jī)技術(shù)等，而且還需要圖像處理、智能控制等學(xué)科內(nèi)容。 本 文主要敘述了機(jī)器人足球比賽通信子系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)。采用AT89C2051和nRF401所設(shè)計(jì)的通信子系統(tǒng)，電路核心芯片少，外圍電路簡(jiǎn)單，體積小巧，成本低，其無(wú)線數(shù)字通信距離及其通信的可靠性均能滿足機(jī)器人足球比賽系統(tǒng)的要求，從實(shí)際使用情況來(lái)看，使用效果 相當(dāng)好。

編輯：jq