基于MCU和nRF24L01的無線通信系統(tǒng)

隨著微電子技術的迅速發(fā)展，高性能MCU廣泛地運用在嵌入式系統(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)絡化無線通信系統(tǒng)的解決方案，穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，滿足各種條件的需要。

1 系統(tǒng)硬件設計

1．1 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)模塊來實現(xiàn)子母機間的通訊，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：

(1)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。待機模式下電流消22μA，掉電模式電流消耗僅為900 nA。

(3)無線速率達到2 Mbit?s-1，SPI接口速率為0～8 Mbit?s-1，具自動應答機制，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。

(5)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。

1．2 STC12L5608AD芯片簡介

STC12L5608AD型MCU是宏晶科技新一代低電壓增強型8051單片機，該系列單片機具有如下特性：寬工作電壓(2．1～3．6 V)；具有1個時鐘／機器周期的高速性能，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，無法解密；超強抗干擾、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。

1．3 硬件接口電路

nRF24L01通過SPI接口與外部單片機進行數(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，與單片機的外部中斷1相連，當nRF24L01產(chǎn)生中斷后IRQ將置低，單片機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。通過單片機與無線通訊模塊的硬件連接，從而實現(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計。整個無線通訊系統(tǒng)由3個模塊組成。

2 系統(tǒng)軟件設計

2．1 數(shù)據(jù)包處理方式

將nRF24L01配置成增強型ShockBurst模式，使得雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行更為簡易有效。發(fā)送方要求終端設備在接收數(shù)據(jù)后有應答信號，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。它可以同時控制應答及重發(fā)功能而無需增加MCU工作量。nR F24L01配置為增強型的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答信號。如未收到應答信號，nRF24L01將重發(fā)相同的數(shù)據(jù)包，直到收到應答信號或重發(fā)次數(shù)超過SETUP _RETR_ARC寄存器中設置的值為止。如果重發(fā)次數(shù)超過了設定值，則產(chǎn)生MAX_RT中斷。只要收到確認信號，nRF24L01就認為最后一包數(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設置為發(fā)送模式后，可以與同一個設置為接收模式的nRF24L01進行通訊，而設置為接收模式的nRF24L01可以對這6個發(fā)射端進行識別。n RF24L01在確認收到數(shù)據(jù)后記錄地址，并以此地址為目標地址發(fā)送應答信號。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)通道0被用作接收應答信號。

2．2 系統(tǒng)軟件設計流程

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)送并接收到應答信號后再變成接收模式，進入下一次接收發(fā)射循環(huán)；主模塊設置為接收數(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應答信號。通過切換接收發(fā)射狀態(tài)實現(xiàn)多點對單點的雙向無線數(shù)據(jù)通訊。

2．2．1 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模式下(CE=0)，時鐘設置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)。

2．2．2 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行初始化操作。

通過對CONFID配置設定其工作模式，設置接收地址，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，準備接收數(shù)據(jù)包，如表1所示。

2．2．3 單片機內(nèi)部EEPROM應用子程序

單片機內(nèi)部EEPROM應用子程序進行扇區(qū)的擦除、寫入以及讀出功能，實現(xiàn)系統(tǒng)信息的讀取保存。

STC12L5608AD單片機內(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。

3 結(jié)束語

介紹了利用高性能MCU和nRF24L01芯片設計的網(wǎng)絡化無線通訊系統(tǒng)，說明了其軟硬件設計要點。該系統(tǒng)已應用于某故障監(jiān)測系統(tǒng)中，系統(tǒng)成本低、體積小、傳輸速率高、具有良好的通用性和可靠性，可供無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)參考。

審核編輯 黃宇