MSP430和nRF905的無線數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在特殊環(huán)境的數(shù)據(jù)測(cè)控應(yīng)用中，無線數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)越來越廣泛地被運(yùn)用，MSP430+nRF905的組合特別適合于低功耗，短距離（100-200m）、小數(shù)據(jù)量的無線數(shù)傳系統(tǒng)，MSP430?CPU在低功耗應(yīng)用方面有很大優(yōu)勢(shì)，nRF905無線收發(fā)芯片具有功耗低、控制簡(jiǎn)單、可自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)，兩者結(jié)合組成的數(shù)傳系統(tǒng)可以在很多產(chǎn)品中得到應(yīng)用。?
1?MSP430簡(jiǎn)介

MSP430是TI公司新推出的16位系列單片機(jī)，在電池供電的低功耗應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，其工作電壓在1.8-3.6V之間，正常工作時(shí)功耗可控制在200μA左右，低功耗模式使可實(shí)現(xiàn)2μA甚至0.1μA的低功耗，MSP430具有非常高的集成度，通常在單個(gè)芯片上集成有12位的A/D、比較器、多個(gè)定時(shí)器，片內(nèi)USART、看門狗、片內(nèi)振蕩器、大量的I/O端口及大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器，一般單片就可以滿足大多數(shù)的應(yīng)用需要。

在低功耗應(yīng)用中設(shè)計(jì)程序時(shí)，最好采用以下方法：CPU在初始化完成后，處于低功耗工作模式，在有外部事件發(fā)生時(shí)喚醒進(jìn)入終端服務(wù)程序，完成后重新進(jìn)入低功耗模式，照此循環(huán)往復(fù)，可以最大限度地降低功耗。

2?nRF905簡(jiǎn)介

nRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為1.9-3.6V，32引腳QFN封裝（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz3個(gè)ISM頻道（可以免費(fèi)使用）。nRF905可以自動(dòng)完成處理字頭和CRT（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）的工作，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，在接收模式時(shí)電流為12.5mA。

nRF905傳輸數(shù)據(jù)時(shí)為非實(shí)時(shí)方式，即發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)，接收端收到后先暫存于芯片存儲(chǔ)器內(nèi)，外面的MCU可以在需要時(shí)再到芯片中去取。nRF905一次的數(shù)據(jù)傳輸量最多為32B。

2.1?nRF905的工作模式及設(shè)置

nRF905的兩種工作模式和兩種節(jié)能模式，分別為掉電模式、待機(jī)模式、ShockBurst?TM接收模式和ShockBurst?TM發(fā)送模式，這幾種模式由外界CPU通過控制nRF905的3個(gè)引腳PWR_UP、TRX_CE和TX_EN的高低電平來決定，如表1所列。?

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外界MCU通過SPI總線配置nRF905的內(nèi)部寄存器，讀寫數(shù)據(jù)時(shí)必須把其置為待機(jī)或掉電模式，nRF905在待機(jī)模式時(shí)功耗為40μA，在掉電模式時(shí)功耗為2.5μA。

2.2?nRF905的狀態(tài)輸出

nRF905有3個(gè)引腳用于狀態(tài)輸出，分別是：CD（載波檢測(cè)）、AM（地址匹配）和DR（數(shù)據(jù)就緒），均為高電平有效，nRF905在處于接收模式時(shí)，若檢測(cè)到接收頻率段的載波，就置CD為高，接著檢測(cè)載波數(shù)據(jù)中的地址字節(jié)，若與本身已配置的接收地址相同，則置AM為高，若再檢測(cè)到接收數(shù)據(jù)中的CRC校驗(yàn)正確，則存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)字節(jié)，置DR為高。

此外，nRF905還有一個(gè)時(shí)鐘輸出引腳uPCLH，供用戶選擇使用。通過配置內(nèi)部寄存器，可改變其頻率輸出，這一點(diǎn)在調(diào)試時(shí)很有用。無線系統(tǒng)至少需要一發(fā)一收兩個(gè)設(shè)備，調(diào)試時(shí)若出現(xiàn)問題很難判斷是哪一方的故障?？梢酝ㄟ^修改nRF905的寄存器，用示波器觀察uPCLK輸出是否變化的方法，來判斷其硬件電路和CPU操作，nRF905的程序是否正確，從而判斷及設(shè)備是否工作正常。

2.3?nRF905的數(shù)據(jù)接口

外圍MCU通過SPI總線配置nRF905的內(nèi)部寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)，nRF905的SPI總線包括4個(gè)引腳：CSN（SPI使能）、SCK（SPI時(shí)鐘）、MISO（主入從出）和MOSI（主出從入）。這里nRF905為從機(jī)，其SPI的時(shí)鐘范圍很寬，可以從1Hz-10MHz，因此MCU在寫控制程序時(shí)不必苛求時(shí)間的準(zhǔn)確度。

SPI總線的每次操作都必須在使能引腳CSN的下降沿開始，CSN低電平有效，總線上的數(shù)據(jù)在時(shí)鐘的上升沿有效，MCU對(duì)SPI總線的操作不外乎兩種方式：讀和寫，在進(jìn)行讀操作時(shí)，先把CSN置低，然后在MOSI數(shù)據(jù)線上輸出一個(gè)表示讀命令的字節(jié)，與此同時(shí)，nRF905會(huì)在MISO數(shù)據(jù)線上輸出一字節(jié)表示狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，隨后輸出一地址字節(jié)，后面跟隨有效數(shù)據(jù)，在進(jìn)行寫操作時(shí)比較簡(jiǎn)單，MCU先把CSN拉低，然后在MOSI線上輸出寫命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)即可。

2.4?nRF905的寄存器配置

nRF905內(nèi)部有5類寄存器：一是射頻配置寄存器，共10個(gè)字節(jié)，包括中心頻點(diǎn)、無線發(fā)送功率配置、接收靈敏度、收發(fā)數(shù)據(jù)的有效字節(jié)數(shù)、結(jié)社地址配置等重要信息；二是發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，共32字節(jié)，MCU要向外發(fā)的數(shù)據(jù)就需要寫在這里，三是發(fā)送地址，共4個(gè)字節(jié)，一對(duì)收發(fā)設(shè)備要正常通信，就需要發(fā)送端的發(fā)送地址與接收端的接手地址配置相同，四是接收數(shù)據(jù)寄存器，共32字節(jié)，nRF905接收到的有效數(shù)據(jù)就存儲(chǔ)在這些寄存器中，MCU可以在需要時(shí)到這里讀取，五是狀態(tài)寄存器，1個(gè)字節(jié)，含有地址匹配和數(shù)據(jù)就緒的信息，一般不用。

MCU若要操作這些寄存器，需遵循nRF905規(guī)定的操作命令，常用的有以下7種，都是1個(gè)字節(jié)；寫射頻配置（0XH，“X”含4位二進(jìn)制位，該字節(jié)表示要開始寫的初始字節(jié)數(shù)）、讀射頻配置（1XH，“X”含4位二進(jìn)制位，該字節(jié)表示要從哪個(gè)字節(jié)開始讀）、寫發(fā)送數(shù)據(jù)（20H），讀發(fā)送數(shù)據(jù)（21H）、寫發(fā)送地址（22H）、讀發(fā)送地址（23H）和讀接收數(shù)據(jù)（24H），關(guān)于寄存器的詳細(xì)信息可以參閱nRF905的數(shù)據(jù)手冊(cè)。

2.5?nRF905的工作過程

nRF905在正常工作前應(yīng)由MCU先根據(jù)需要寫好配置寄存器，或是按照默認(rèn)配置工作，其后的工作主要是兩個(gè)：發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。

發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，MCU應(yīng)先把nRF905置于待機(jī)模式（PWR_UP引腳為高、TRX_CE引腳為低）然后通過SPI總線把發(fā)送地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)都寫入相應(yīng)的寄存器中，之后把nRF905置于發(fā)送模塊（PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高）數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)通過天線發(fā)送出去，若射頻配置寄存器中的自動(dòng)重發(fā)位（AUTO_RETRAN）設(shè)為有，數(shù)據(jù)包就會(huì)重復(fù)不斷地一直向外發(fā)，直到MCU把TRX_CE拉低，退出發(fā)送模式為止。為了數(shù)據(jù)更可靠地傳輸，建議多使用此種方式。

接收數(shù)據(jù)時(shí)，MCU先在nRF905的待機(jī)模式中把射頻配置寄存器中的接收地址寫好，然后置其于接收模式（PWR_UP=1、TRX_CE=1、TX_EN=0），nRF905就會(huì)自動(dòng)接收空中的載波，若收到地址匹配的和校驗(yàn)正確的有效數(shù)據(jù)，DR引腳會(huì)自動(dòng)置高，MCU在檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)后，可以改其為待機(jī)模式，通過SPI總線從接收數(shù)據(jù)寄存器中讀出有效數(shù)據(jù)。

3?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

MSP430的USART模塊可通過寄存器配置為通用異步串行口或SPI模塊功能，這里配置為SPI模塊，本系統(tǒng)選用的MCU是MSP430F133，在硬件設(shè)計(jì)時(shí)把MCU的SPI接口和nRF9051SPI接口相連即可，另外再選幾個(gè)I/O口連接Nrf9051輸出輸出信號(hào)，如圖1所示。

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對(duì)于初次接接觸無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，因其射頻部分的元件采購(gòu)，焊接和調(diào)試比較麻煩，可以選用PTR8000模塊，該模塊內(nèi)核使用nRF905，硬件電路已經(jīng)焊好，十月起來相對(duì)方便一些。

4?控制程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是控制nRF901的程序設(shè)計(jì)，大致分為兩個(gè)階段：首先是對(duì)NrF905進(jìn)行初始配置，配置完成后按?需要便攜書記的發(fā)送或接收程序。

4.1?初始化配置

第一階段應(yīng)完成初始化配置，分以下幾項(xiàng)：

1）MSP430的SPI接口設(shè)置，MSP4301異步串行接口和SPI接口用同一個(gè)USART模塊，賊里需要用軟件配置為SPI功能，本設(shè)計(jì)中SPI配置為主機(jī)模塊、3線制和8位數(shù)據(jù)，程序源代碼參見子程序“SPI_SET五”。（編者注：程序源代碼見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn）

2）初始化nRF901的射頻配置寄存器，這些寄存器中有很多信息，必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置，本設(shè)計(jì)中nRF905外界16MHz晶體，“XOF應(yīng)配置為“011”；“PA_PWR”為發(fā)射功率，RX_RED_PWR”為接收命靈敏度，可根據(jù)需要配置；另外還有發(fā)送地址、接收地址、發(fā)送數(shù)據(jù)和結(jié)社數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度（字節(jié)數(shù)）可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用配置，注意賊組寄存器中海油接收時(shí)的實(shí)際地址，不而發(fā)送地址在其他單獨(dú)的寄存器中。

3）配制nRF901的發(fā)送地址，最多4個(gè)字節(jié)（32位），發(fā)送端的發(fā)送地址應(yīng)于接受端設(shè)備的結(jié)社地址相同，在實(shí)際工作中nRF901可以自動(dòng)濾濾除地址不相同的數(shù)據(jù)，只有地址匹配且校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)彩繪被接受，并存儲(chǔ)在接收數(shù)據(jù)寄存器中。

4.2?發(fā)送數(shù)據(jù)

使nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)前需要MSP430通過SPI總線在待機(jī)模式便板待法數(shù)據(jù)填進(jìn)發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中，一次最多32B，然而把nRF9051“TRX_CE”、“TX_EN”?因該都置為高電平，數(shù)據(jù)就會(huì)自動(dòng)發(fā)送出去，本設(shè)計(jì)射頻配置寄存器中選定了自動(dòng)重發(fā)位，因此在“TRX_CE”被置高的時(shí)間內(nèi)數(shù)據(jù)一直在重復(fù)不斷地發(fā)。本程序中設(shè)計(jì)延時(shí)500ms，之后拉低“TR?X_CE”因該，回到待機(jī)模式。

4.3?接收數(shù)據(jù)

MSP430把nRF905的“TRX_CE”引腳置為高電平，“TX_CE引腳拉為低電平后就刻蝕結(jié)社數(shù)據(jù)，本設(shè)計(jì)中CPU在設(shè)定的35s內(nèi)一直判斷Nrf9051“DR”引腳是否便變高個(gè)，若為高則證明接收到了有效數(shù)據(jù)，可以退出接收模式，弱一致沒有接受2到，待時(shí)間到時(shí)也退出接接受是模塊，退出后在待機(jī)模塊，CPU通過SPI總線把NRF905內(nèi)部的接收數(shù)據(jù)寄存器中數(shù)據(jù)讀出，即接收道德有效數(shù)據(jù)。

便攜接受部分程序時(shí)，有一點(diǎn)應(yīng)該注意，很多資料中都沒有提到，就是CPU在MOSI信號(hào)線上發(fā)出讀命令字節(jié)后“MISO”信號(hào)線上nRF905會(huì)自動(dòng)返回一字節(jié)數(shù)據(jù)，本本身的狀態(tài)寄存器信息，后續(xù)的接收數(shù)據(jù)并不會(huì)自動(dòng)跟著輸出，只有CPU在MOSI上輸出一個(gè)字節(jié)（可以是隨意值），nRF905才會(huì)在“MISO”上返回一個(gè)字節(jié)，CPU再發(fā)，nRF905再滿會(huì)，直到讀完為止。