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

摘  要:闡述在低功耗應(yīng)用中，利用MSP430和nRF905組成一種無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。首先對核心芯片的選型和關(guān)鍵使用方法進(jìn)行簡單說明，然后介紹系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，其中著重介紹如何對nRF905進(jìn)行控制，并給出相關(guān)程序源代碼。
關(guān)鍵詞:無線數(shù)據(jù)傳輸 低功耗 MSP430 nRF905

    在特殊環(huán)境的數(shù)據(jù)測控應(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(1OO～200 m)、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，nRF905無線收發(fā)芯片具有功耗低、控制簡單、可自動處理字頭和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。其工作電壓在1.8～3．6 V之間，正常工作時(shí)功耗可控制在2OOμA左右，低功耗模式時(shí)可實(shí)現(xiàn)2μA甚至O．1μA的低功耗。MSP430具有非常高的集成度，通常在單個芯片上集成有12位的A／D、比較器、多個定時(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)入中斷服務(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。較差等。上述問題經(jīng)過精心設(shè)計(jì)是可以避免和解決的，所以基于GPRS的設(shè)計(jì)仍具有無可比擬的優(yōu)勢。

2 nRF905簡介
    nRF905是挪威Nordik公司推出的單片射頻收發(fā)器芯片，工作電壓為1．9～3．6 V，32引腳QFN封裝(5 mm×5 mm)，工作于433／868／915 MHz 3個ISM頻道(可以免費(fèi)使用)。nRF905可以自動完成處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))的工作，可由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯特編碼／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，以一10 dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11 mA，在接收模式時(shí)電流為12．5 mA。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32 B。

2.1 nRF905的工作模式及設(shè)置
    nRF905有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Shock—Burst TM發(fā)送模式。這幾種模式由外界CPU通過控制nRF905的3個引腳PWR_UP、TRX_CE和TX_EN的高低電平來決定，如表1所列。

    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40,μA，在掉電模式時(shí)功耗為2．5 μA。

2.2 nRF905的狀態(tài)輸出
    nRF905有3個引腳用于狀態(tài)輸出，分別是：CD(載波檢測)、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)，若檢測到接收頻率段的載波，就置CD為高；接著檢測載波數(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；若再檢測到接收數(shù)據(jù)中的CRC校驗(yàn)正確，則存儲有效數(shù)據(jù)字節(jié)，置DR為高。

    此外，nRF905還有一個時(shí)鐘輸出引腳uPCLK，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。可以通過修改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，從而判斷該設(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個引腳：CSN(SPI使能)、SCK(SPI時(shí)鐘)、MISO(主人從出)和MOSI(主出從人)。這里nRF905為從機(jī)，其SPI的時(shí)鐘范圍很寬，可以從1 Hz～10 MFIz，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)線上輸出一個表示讀命令的字節(jié)，與此同時(shí)，nRF905會在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)、接收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個字節(jié)，一對收發(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收地址配置相同；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)就存儲在這些寄存器中，MCU可以在需要時(shí)到這里讀?。晃迨菭顟B(tài)寄存器，1個字節(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個字節(jié)：寫射頻配置(OXH，“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)表示要從哪個字節(jié)開始讀)、寫發(fā)送數(shù)據(jù)(20H)、讀發(fā)送數(shù)據(jù)(2lH)、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。

2．5 nRF905的工作過程
    nRF905在正常工作前應(yīng)由MCU先根據(jù)需要寫好配置寄存罨，或是按照默認(rèn)配置工作。其后的工作主要是兩個：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nRF、905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)送模式(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高)，數(shù)據(jù)就會自動通過天線發(fā)送出去。若射頻配置寄存器中的自動重發(fā)位(AuTO_RETRAN)設(shè)為有效，數(shù)據(jù)包就會重復(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=O)，nRF905就會自動接收空中的載波。若收到地址匹配和校驗(yàn)正確的有效數(shù)據(jù)，DR引腳會自動置高，MCU在檢測到這個信號后，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)
    MSP43O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nRF905的SPI接口相連即可，另外再選幾個I／O口連接aRF905的輸入輸出信號，如圖1所示。

    對于初次接觸無線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者，因其射頻部分的元件采購、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，使用起來相對方便一些。

4  控制程序設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是控制nRF905的程序設(shè)計(jì)，大致分兩個階段：首先是對nRF905進(jìn)行初始配置，配置完成后按需要編寫數(shù)據(jù)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)：
    ①M(fèi)SP430的SPI接口設(shè)置。MSP430的異步串行接口和SPI接口用同一個uSART模塊，這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)模式、3線制和8位數(shù)據(jù)。程序源代碼參見子程序“SPI_SET”。(編者注：程序源代碼見本刊網(wǎng)站www．mesnet．com．cn。)
    ②初始化nRF905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外接16 MHz晶體，“XOF”應(yīng)配置為“011”；“PA_PWR”為發(fā)射功率，”RX_RED_PWR”為接收靈敏度，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)和接收數(shù)據(jù)的長度(字節(jié)數(shù))，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用配置。注意這組寄存器中還有接收時(shí)的實(shí)際地址，而發(fā)送地址在其他單獨(dú)寄存器中。
    ③配置nRF905的發(fā)送地址，最多4個字節(jié)(32位)，發(fā)送端的發(fā)送地址應(yīng)與接收端設(shè)備的接收地址相同。在實(shí)際工作中，nRF905可以自動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)才會被接收，并存儲在接收數(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)模式下先把待發(fā)數(shù)據(jù)填進(jìn)發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中，一次最多32 B。然后把nRF905的“TRX_CE”、“TX_EN”引腳都置為高電平，數(shù)據(jù)就會自動發(fā)送出去。本設(shè)計(jì)在射頻配置寄存器中選定了自動重發(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)500 ms，之后拉低“TRX_CE”引腳，回到待機(jī)模式。

4.3  接收數(shù)據(jù)
    MSP30把nRF905的“TRX_CE”引腳置為高電平，“TX_EN”引腳拉為低電平后，就開始接收數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中CPU在設(shè)定的35 s內(nèi)一直判斷nRF905的“DR”引腳是否變高，若為高，則證明接收到了有效數(shù)據(jù)，可以退出接收模式，若一直沒有接收到，待時(shí)間到時(shí)也退出接收模式。退出后在待機(jī)模式，CPU通過SPI總線把nRF905內(nèi)部的接收數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)讀出，即接收到的有效數(shù)據(jù)。編寫接收部分程序時(shí)，有一點(diǎn)應(yīng)該注意，很多資料中都沒有提到，就是CPU在“M0SI”信號線上發(fā)出讀命令字節(jié)后，在“MISO)”信號線上nRF905會自動返回一字節(jié)數(shù)據(jù)，為本身的狀態(tài)寄存器信息，后續(xù)的接收數(shù)據(jù)并不會自動跟著輸出，只有CPU在“MOSI”上再輸出一個字節(jié)(可以是隨意值)，nRF905才會在“MISO”上返回一個字節(jié)，CPU再發(fā)，nRF905再返回，直到讀完為止。