基于nRF24L01和STM32L152RD超低功耗無線通信系統(tǒng)

　　隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，傳統(tǒng)的有線通信因自身的局限性已越來越不能滿足人們的需要，無線通信技術(shù)得到了快速發(fā)展。如今出現(xiàn)了種類眾多的無線通信技術(shù)，目前比較熱門的有WiFi、藍(lán)牙、UWB、ZigBee、Nordic nRF以及TI公司的SimpliciTI等。不同無線通信技術(shù)在成本、功耗、傳輸速率、使用頻段、功能方面有很大區(qū)別，針對不同的需求要選擇適合的無線技術(shù)。

　　針對便攜式設(shè)備的低成本、低功耗要求，藍(lán)牙和WiFi功耗相對較大，UWB規(guī)范尚不統(tǒng)一且芯片價格高，Zigbee的傳輸速率受限僅250 kbit/s，SimpliciTI則受TI公司硬件平臺限制。綜合考慮各個因素，本系統(tǒng)采用了NordicSemiconductor公司2.4 GHz低成本高性能的nRF24L01無線射頻芯片，由低功耗ARM系列STM32L152RD微處理器控制，實現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)通信。nRF24L01不僅可以提供一個真正的超低功耗解決方案，而且也擁有優(yōu)良的共存性，其載波監(jiān)測功能保證了在WLAN干擾下的可靠通信。高速的頻率切換時間減少了與藍(lán)牙等跳頻系統(tǒng)出現(xiàn)互相干擾的可能。

　　1硬件設(shè)計

　　系統(tǒng)的設(shè)計思路是在滿足高速傳輸數(shù)據(jù)的同時盡可能的降低功耗，故在MCU與無線芯片的選型上側(cè)重于性能和功耗的平衡。系統(tǒng)硬件部分采用模塊化的設(shè)計思想，主要由供電模塊，nRF24L01射頻模塊和微控制器模塊組成。其中供電模塊根據(jù)實際需求方案很多，本文就不詳細(xì)敘述了。

　　1.1 nRF24L01射頻模塊

　　nRF24L01是由Nordic Semiconductor公司出品的GF-SK單片式收發(fā)芯片，工作于2.4~2.5 GHz的世界通用（ISM）頻段，傳輸速率可達(dá)2 Mbit/s。芯片包括頻率發(fā)生器、功率放大器、增強(qiáng)型SchockBurstTM模式控制器、晶振和調(diào)制解調(diào)器。發(fā)射功率和頻道選擇等工作參數(shù)可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。增強(qiáng)型ShockBurstTM功能使軟件設(shè)計更為簡單，集成了雙向通信所需要的鏈路層，而通常這些功能需要一個高速的MCU和大空間的存儲器和高的電源消耗來實現(xiàn)。nRF24L01及外部接口如圖1所示。

　　1.2微控制器模塊

　　STM32L152RD基于高品質(zhì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，融合了高性能和超低功耗的特性，內(nèi)置高速存儲器，工作頻率為32 MHz。它采用了優(yōu)化的節(jié)能架構(gòu)與0.13μm的STMicroelectronics超低漏電生產(chǎn)工藝，此外，為了實現(xiàn)超低功耗，STM32L152RD還劃分了6種工作模式，使其在任何設(shè)定時間內(nèi)都能以最低的功耗完成任務(wù)。STM32控制器的SPI（串行外設(shè)接口）允許芯片與外部設(shè)備以全雙工或者半雙工、同步、串行方式通信，可用于多種用途，包括使用一條雙向數(shù)據(jù)線的雙線單工同步傳輸，還可使用CRC校驗的可靠通信。

　　通常SPI通過4個管腳與外部器件相連。MISO：主設(shè)備輸入/從設(shè)備輸出管腳，該管腳在從模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，在主模式下接收數(shù)據(jù);MOSI：主設(shè)備輸出/從設(shè)備輸入管腳，該管腳在主模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，在從模式下接收數(shù)據(jù);SCK：串口時鐘，作為主設(shè)備的輸出，從設(shè)備的輸入;NSS：從設(shè)備選擇。這是一個可選的管腳，用來選擇主/從設(shè)備。

　　系統(tǒng)除了使用MCU這4個管腳與無線模塊相連，還通過PA0管腳控制nRF24L01的片選端CE，PB0管腳控制中斷響應(yīng)。圖2是微控制器模塊STM32L152RD與nRF24L01的接口電路原理圖。

　　2軟件設(shè)計

　　nRF24L01無線射頻芯片內(nèi)置的鏈路層使軟件設(shè)計更為簡單，系統(tǒng)進(jìn)行無線通信無須配置復(fù)雜的通信協(xié)議，只需編程配置好射頻芯片與MCU的SPI通信接口，然后在發(fā)送時將有效數(shù)據(jù)放入TX緩沖區(qū)，芯片將把地址信息和TX緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)與內(nèi)部自行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)頭、標(biāo)志位和CRC校驗碼等信息結(jié)合起來進(jìn)行數(shù)據(jù)打包并發(fā)送出去。表1給出增強(qiáng)型的ShockBurstTM模式的數(shù)據(jù)包。整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計部分分為初始化操作、配置發(fā)送模式、配置接收模式、配置中斷4部分。

　　2.1初始化操作

　　無線射頻芯片nRF24L01要進(jìn)行無線通信，首先要對MCU的時鐘，MCU的SPI通信口和nRF24L01進(jìn)行初始化操作［5］。MCU時鐘和SPI接口初始化部分STM32L152RD的芯片資料很詳細(xì)，在此就不詳細(xì)敘述了。nRF24L01的初始化主要包括地址、應(yīng)答方式、工作頻率、數(shù)據(jù)長度、發(fā)射速率、中斷響應(yīng)等參數(shù)的配置。nRF24L01初始化操作的流程圖如圖3所示。

　　2.2配置發(fā)送模式

　　nRF24L01配置為增強(qiáng)型的ShockBurstTM發(fā)送模式，當(dāng)MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送nRF24L01就會啟動Shock-BurstTM模式，自動生成數(shù)據(jù)頭、標(biāo)志位和CRC校驗碼并發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后將轉(zhuǎn)到接收模式并等待接收端的ACK應(yīng)答信號。如果沒有收到ACK應(yīng)答信號，則認(rèn)為數(shù)據(jù)丟失，nRF24L01將循環(huán)重發(fā)數(shù)據(jù)包，直到收到ACK或重發(fā)次數(shù)超過重發(fā)寄存器中設(shè)置的值為止。如果數(shù)據(jù)重發(fā)次數(shù)超過了初始設(shè)定值，則會產(chǎn)生數(shù)據(jù)溢出導(dǎo)致IRQ中斷。當(dāng)收到ACK應(yīng)答信號時，nRF24L01就認(rèn)為最后一包數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送成功，TX_FIFO寄存器中的數(shù)據(jù)被清除并產(chǎn)生IRQ中斷通知MCU。MCU根據(jù)任務(wù)需求控制nRF24L01進(jìn)入發(fā)送模式，接收模式或待機(jī)模式。發(fā)送模式流程如圖4所示。

　　配置發(fā)送模式代碼如下：

　　void nRF24L01_TxPacket（unsigned char*tx_buf）

　　{

　　NRF24L01_MODE_CE_0（）;SPI_Write_Buf（WRITE_REG1+RX_ADDR_P0，TX_ADDRESS，TX_ADR_WIDTH）;//寫入接收地址

　　SPI_Write_Buf（WR_TX_PLOAD，tx_buf，TX_PLOAD_WIDTH）;//寫入//要發(fā)送的數(shù)據(jù)

　　SPI_RW_Reg（WRITE_REG1+CONFIG，0x0e）;//IRQ中斷，16位CRC

　　NRF24L01_MODE_CE_1（）;//CE置1，激發(fā)增強(qiáng)型的ShockBurstTM

　　發(fā)送模式

　　Delay_us（20）;//注意延遲值不能太低

　　}