基于射頻模塊nRF24E1的無線系統(tǒng)的開發(fā)

1.引言
   隨著嵌入式系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，兩者已能緊密結(jié)合在一起。而且隨著無線應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，工作在ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz自由免費(fèi)頻段，已成為研究的焦點(diǎn)。例如Wi-Fi、BlueTooth、Zigbee等無線傳輸協(xié)議都是應(yīng)用在2.4GHz頻段上，并以其數(shù)據(jù)率高、節(jié)點(diǎn)分布廣等特點(diǎn)廣泛的應(yīng)用于科研、家庭、軍事等各個(gè)領(lǐng)域。本文研究的系統(tǒng)以NORDICnRF24E1無線芯片為基礎(chǔ)，它是一款帶增強(qiáng)型8051內(nèi)核的無線收發(fā)模塊，適用于各種無線設(shè)備互聯(lián)的應(yīng)用場(chǎng)合，工作于ISM頻段，有125個(gè)頻點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信，同時(shí)可采用改頻和跳頻來避免干擾。該系統(tǒng)已應(yīng)用于無線環(huán)境參數(shù)（包括溫度、濕度、紅外信號(hào)等）的采集和處理；無線遠(yuǎn)程下載，可適用于將動(dòng)態(tài)變化的控制程序下載到不斷移動(dòng)的設(shè)備上，來控制其做出不同的反應(yīng)，例如機(jī)器人的遙控、超級(jí)市場(chǎng)的動(dòng)態(tài)價(jià)格指示等等。

2.系統(tǒng)原理及流程

2.1工作原理和流程
   該系統(tǒng)主要由程序下載單片機(jī)、無線模塊nRF24E1、SPI存儲(chǔ)器EEPROM、前端采集模塊或功能顯示界面及串行口組成。程序下載單片機(jī)（如AT89S52）通過串行口與PC機(jī)連接，接收PC機(jī)下載的執(zhí)行程序，并存儲(chǔ)到SPI存儲(chǔ)器中，配置nRF24E1內(nèi)的51核。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，nRF24E1無線模塊上電后讀取SPI存儲(chǔ)器中的執(zhí)行程序，讀取前端采集的數(shù)據(jù)，并通過nRF24E1中的無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)無線發(fā)送。在遠(yuǎn)程下載系統(tǒng)中，發(fā)送端將要在24E1模塊中執(zhí)行的程序在無線環(huán)境中傳輸，接收端運(yùn)行結(jié)果在終端（PC、液晶屏等）上顯示，以適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化要求。

    系統(tǒng)模式圖如下：

   

                                    圖1：系統(tǒng)模型

2.2硬件設(shè)計(jì)
   在硬件上，本系統(tǒng)研制了SPI總線下載器，將24E1的模塊作為外插件附于其上。開發(fā)板上包括串口電平轉(zhuǎn)換部分、89S52單片機(jī)部分、24E1可拔插模塊及控制部分、電源管理部分。開發(fā)板由5V電源供電，轉(zhuǎn)換為3.3V向芯片輸出，由繼電器DS2Y-3控制下載完程序后24E1模塊的上電。兩個(gè)串口一個(gè)用作89S52控制PC向EEPROM傳遞程序，另一個(gè)與24E1相連，使得其接收到的或采集的數(shù)據(jù)可在串口顯示?？刂?strong>射頻模塊與EEPROM進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的是幾片邏輯芯片74LVC1G125、74AHC1G32，有效的隔離了以EEPROM為分界的程序下載和加載過程。

    在兩種應(yīng)用的系統(tǒng)中，發(fā)射端的硬件設(shè)計(jì)是一致的，在接收端：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將傳感器與24E1模塊引出的I/O相連，由內(nèi)部8051內(nèi)核控制；遠(yuǎn)程程序下載系統(tǒng)將運(yùn)行結(jié)果通過串口或USB口與PC等其它設(shè)備相連，或外接液晶屏顯示。

2.3軟件控制
　　nRF24E1內(nèi)的51核相對(duì)普通8051作了一定的擴(kuò)展，一般編譯器不能完全支持nRF24E1。KeilC51V7.01及其以上的版本都支持nRF24E1，因此，編程非常方便。此系統(tǒng)的軟件分以下幾個(gè)部分：發(fā)送端的上位機(jī)軟件由VC開發(fā)，主要實(shí)現(xiàn)控制程序到HEX文件的轉(zhuǎn)換及通過串口和單片機(jī)89S52向EEPROM25AA320的下載。其中溫度采集系統(tǒng)的控制程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)24E1的配置、利用片內(nèi)51核進(jìn)行溫度等的采集、并將采集到的數(shù)據(jù)通過射頻模塊發(fā)送；接收端將收到的溫度信息送到串口顯示。遠(yuǎn)程下載系統(tǒng)的控制程序?qū)崿F(xiàn)24E1的配置和發(fā)送對(duì)接收端進(jìn)行下載編程的程序；接收端將收到的程序?qū)胴?fù)責(zé)程序執(zhí)行的4KB RAM中，對(duì)于它相連的設(shè)備進(jìn)行控制或?qū)⑦\(yùn)行結(jié)果顯示出來。

(1)上位機(jī)下載軟件

    將轉(zhuǎn)換成HEX格式的文件向串口下載，同時(shí)在后臺(tái)運(yùn)行燒入89S52的下載控制程序，不斷監(jiān)測(cè)串口是否有數(shù)據(jù)輸出，一旦發(fā)現(xiàn)則通過單片機(jī)的SPI總線下載到外部ROM。EEPROM25AA320是SPI接口的存儲(chǔ)器，有標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)SDO、SCK、SCI,在SCK脈沖的上升沿進(jìn)行數(shù)據(jù)的寫入，每次寫入都要將25320的CS信號(hào)選通，同時(shí)將WP(寫保護(hù))信號(hào)關(guān)掉，這同時(shí)也斷掉了25320到24E1方向的通路。寫入EEPROM的數(shù)據(jù)都要以以下格式傳送：

        其中SPEED和XO_FREQ為VC界面上的下載速度和晶振頻率。

    程序下載完畢后，繼電器控制射頻模塊上電，軟件將WP信號(hào)置位，就切斷了程序下載過程，也將程序存儲(chǔ)器與24E1之間的通路打開，nRF24E1通過SPI口與EEPROM進(jìn)行連接。上電后，電路可在512BROM中存儲(chǔ)的引導(dǎo)程序的控制下，通過SPI總線將EEPROM中存儲(chǔ)的用戶程序傳送至nRF24E1的4KBRAM程序運(yùn)行空間中，從而把控制的任務(wù)轉(zhuǎn)到用戶程序。這樣，24E1內(nèi)部的單片機(jī)就開始執(zhí)行控制程序的工作了。

（2）無線收發(fā)協(xié)議及流程

    射頻模塊的無線傳輸有兩種模式：ShockBurstMode和DirectMode，24E1只支持前者，這種技術(shù)使用片上的FIFO的方式在8051MCU與射頻模塊之間進(jìn)行數(shù)傳，保證了較低的數(shù)據(jù)傳輸率(10Kbps)和較高的數(shù)據(jù)發(fā)送速率（可達(dá)1Mbps），從而節(jié)省了能量。數(shù)據(jù)在空中傳輸?shù)膸袷饺缦拢?/P>

   

    地址和數(shù)據(jù)字段的長(zhǎng)度在配置24E1時(shí)均可定義,PRE-AMBLE和CRC校驗(yàn)字段均為系統(tǒng)在成幀后自動(dòng)加上。

    發(fā)送流程如下：

    接收流程如下：

   

    發(fā)送和接受都由8位RADIO寄存器控制，發(fā)送時(shí)定義了兩個(gè)通道的時(shí)鐘和一位數(shù)據(jù)；接收時(shí)受PWR_UP、CE、CS信號(hào)聯(lián)合控制，要嚴(yán)格遵守時(shí)序。

    由于系統(tǒng)要設(shè)計(jì)一對(duì)多機(jī)的通信過程，所以要應(yīng)用到跳頻技術(shù)。在傳統(tǒng)的調(diào)頻通信技術(shù)中，使傳輸頻率以突發(fā)脈沖序列為基礎(chǔ)進(jìn)行跳變，不同突發(fā)脈沖序列上的數(shù)據(jù)采用不同的頻率進(jìn)行傳送。在本套系統(tǒng)中，24E1的頻段是2400MHz~2527MHz范圍，定義：ChannelRF=2400MHz+RF_CH*1.0MHz,由于24E1是一發(fā)二收的機(jī)制，發(fā)送端同一頻點(diǎn)（RF_CH）的兩個(gè)接收通道（channel）頻率相差8MHz，都在初始化時(shí)由相應(yīng)的寄存器控制。

    需要提出的是，在遠(yuǎn)程程序下載系統(tǒng)中，在接收端的程序設(shè)計(jì)要相對(duì)復(fù)雜一些。它收到的是對(duì)其它設(shè)備進(jìn)行控制的程序，有兩個(gè)辦法：一是將整段程序送到與之相連的帶MCU的設(shè)備處理；二是在24E1內(nèi)再寫一段bootloader，將接收的程序引導(dǎo)入內(nèi)部的程序執(zhí)行區(qū)域，由8051運(yùn)行并輸出結(jié)果。兩種方法都可行，開發(fā)人員可視具體系統(tǒng)而定。

3.創(chuàng)新點(diǎn)與完善

    本論文完成的整個(gè)系統(tǒng)投入較低，作為無線傳輸設(shè)備，nRF系列單片機(jī)易于開發(fā)，通信協(xié)議簡(jiǎn)單，只要掌握51的編程規(guī)范，很容易上手。另外，結(jié)合各類傳感器的使用，nRF系列單片可用于多種數(shù)據(jù)的采集；可以在此基礎(chǔ)上，方便地開發(fā)無線傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)?？捎密浖瓿商l通信，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)用于無線編程下載，也有很大的應(yīng)用前景，國(guó)外很多基于無線的編程控制系統(tǒng)已投入使用。目前，USB這種即插即拔的接口設(shè)備以其方便的特性有越來越多的應(yīng)用，在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，可用一塊CP2102（USB轉(zhuǎn)串口芯片）用USB代替串口，實(shí)現(xiàn)更大的應(yīng)用價(jià)值。

    日前，ZigBee(802.15.4)技術(shù)已成為無線傳輸?shù)臒狳c(diǎn)，它以低功耗、低成本、時(shí)延短、容量大等特點(diǎn)，被業(yè)界認(rèn)為是最有可能應(yīng)用在工控場(chǎng)合的無線方式。它同樣使用2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)。我們完成的基于nRF24E1的系統(tǒng)還可以參照ZigBee協(xié)議，進(jìn)一步拓展通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)更完善的功能。

參考文獻(xiàn)
　　1.NORDICnRF24E1PRELIMINARY PRODUCT SPECIFICATION http://www.nordicsemi.no/
    2.nRF24E1PCB設(shè)計(jì)指南
    3.肖金球.《單片機(jī)接口技術(shù)》[M]北京：清華大學(xué)出版社2004
    4孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M]北京：清華大學(xué)出版社2005