基于ARM和nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

1 引言
    由于無線數(shù)據(jù)通信不用布線，快速布局，因此具有有線數(shù)據(jù)通信無法比擬的便捷性，在特殊場合具有不可替代性。然而，傳統(tǒng)的由基本射頻集成電路搭建的無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)存在電路復(fù)雜，成本高，傳輸速率低，可靠性差等缺點(diǎn)。為此，Nordic公司推出一款工業(yè)級(jí)內(nèi)置硬件鏈路層協(xié)議的低成本單芯片nRF24L01型無線收發(fā)器件。該器件采用GFSK調(diào)制，128個(gè)頻點(diǎn)自動(dòng)跳頻，片內(nèi)自動(dòng)生成報(bào)頭和CRC校驗(yàn)碼，具有出錯(cuò)自動(dòng)重發(fā)功能，這些特性使得由nRF24L0l構(gòu)建的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)具有成本低，速率高，傳輸可靠等優(yōu)點(diǎn)。

2 nRF24L01簡介
    圖l給出nRF24L0l的引腳排列。nRF24L01工作于2．4~2．5 GHz ISM頻段，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了Enhanced ShoekBurst技術(shù)。其中，輸出功率、通信頻道、自動(dòng)重發(fā)次數(shù)等參數(shù)可通過編程設(shè)置。內(nèi)置的SPI接口，其速率為0～8Mb／s，MCU通過SPI接口控制nRF 24L0l。nRF24L01的特點(diǎn)如下：①功耗低。能夠在以一6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9 mA；在以0 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流僅11．3 mA；而在接收時(shí)，工作電流僅12．3 mA，因此具有掉電和空閑多種低功率工作模式。②體積小，采用QFN20封裝。③供電電壓為1．9~3．6 V，可方便集成到各種電子器件。

3 LPC214x簡介
    IPC214x系列是Philips公司的基于ARM7內(nèi)核的高性能器件，與LPC213x系列器件相兼容，并增加了一些新功能，性能得到了大大的提升。LPC214x系列器件最大特色是內(nèi)置2kB終端RAM的USB 2．0全速控制器，1個(gè)(LPC2141／42)或2個(gè)(LPC2144/46/48)10位A/D轉(zhuǎn)換器，多個(gè)串行接口，包括2個(gè)UART、2個(gè)高速I2C總線、SPI和具有緩沖作用及可變數(shù)據(jù)長度的SSP。LPC214x系列器件采用單電源供電，具有上電復(fù)位(POR)和掉電檢測(BOD)電路。相對于普通ARM7來說，LPC214x還提升了I／O端口的速度，并且內(nèi)置8—40 KB的靜態(tài)RAM和32~512 KB的高速Flash存儲(chǔ)器；工作頻率高達(dá)60MHz；采用超小型LQFP64封裝。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由LPC2144、nRF24L01、射頻功放和天線模塊組成。其中，射頻功放采用臺(tái)灣K一BEST公司的2.4 G雙向功放模塊。圖2是系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖。上位機(jī)為PC機(jī)，LPC2144與nRF24L01連接，根據(jù)需要配置2．4 G功放和增益天線模塊。如果配置0．5 W功放和高增益天線，則傳輸距離可達(dá)5~10 km。下位機(jī)為嵌入式平臺(tái)，該嵌入式平臺(tái)可以是單片機(jī)、ARM、DSP和FPGA，nRF24L0l可通過SPI接口直接與嵌入式平臺(tái)連接。

    圖3給出LPC2144與nRF24L0l的硬件接口設(shè)計(jì)。配置LPC2144的P0．2、P1．19作為GPIO端口分別與nRF24L0l的CE和CSN連接；配置LPC2144的P0．4、P0．5、P0．6作為SPIO端口分別與nRF24L0l的SCK、MISO、MOSI連接：配置LPC2144的P0．16作為EINT0端口與nRF24L0l的IRQ連接。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    發(fā)送端LPC214x完成初始化后，把nRF24L01配置成PTX工作模式。若從上位機(jī)接收到數(shù)據(jù)，則啟動(dòng)nRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)。若發(fā)送成功，則產(chǎn)生TX_DS中斷；若重發(fā)超限，則產(chǎn)生MAX_RT中斷；若發(fā)送成功，則繼續(xù)發(fā)送，否則進(jìn)行出錯(cuò)處理。接收端LPC214x完成初始化后，把nRF24L0l配置成PRX工作模式。當(dāng)正確接收數(shù)據(jù)時(shí)，nRF24L0l產(chǎn)生接收中斷標(biāo)志，LPC214x從nRF24L01讀取數(shù)據(jù)并向下位機(jī)發(fā)送。圖4給出軟件流程圖。軟件開發(fā)環(huán)境為ADSl．2。

5．1 nRF24L01的初始化
    nRF24L01通過SPI接口和外部控制器件如MCU、ARM、DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，其SPI協(xié)議是MSB在前，LSB在后。如果要讀寫多個(gè)字節(jié)，先讀寫低字節(jié)。如果外部控制器件沒有SPI接口，可用普通I／O接口模擬。這里選用帶SPI接口且可方便地與nRF24L0l連接的LPC21440表l給出nRF24L0l的命令表。

    由表可見，通過SPI接口傳入nRF24L01的第一個(gè)字節(jié)是命令字，nRF24L0l的各種命令字都只有一個(gè)字節(jié)，分為讀寄存器、寫寄存器、讀數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)、寫發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)等。在輸入任意命令字的同時(shí)，MISO輸出的都是STATUS寄存器的內(nèi)容。nRF24L0l的數(shù)據(jù)傳輸模式有ShockBurst和Enhanced ShockBurst兩種數(shù)據(jù)包。后者比前者多了一個(gè)確認(rèn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男盘?hào)，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｔ撈骷?nèi)部完成需要高速處理的RF協(xié)議，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)只需將數(shù)據(jù)放入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，器件會(huì)自行產(chǎn)生前導(dǎo)字符和CRC數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)地址和地址信息、發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)等組成一個(gè)數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。圖5給出兩種模式的數(shù)據(jù)包格式。

    現(xiàn)按后一種模式初始化。在配置為接收數(shù)據(jù)時(shí)，nRF24L01接收到數(shù)據(jù)包后，由硬件解析地址數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)，當(dāng)接收到有效信息數(shù)據(jù)后，在IRQ引腳產(chǎn)生中斷，并通知外部處理器讀取數(shù)據(jù)。在配置為發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，nRF24L0l發(fā)送數(shù)據(jù)包后，自動(dòng)切換到接收模式已接收返回的確認(rèn)信號(hào)，當(dāng)收到確認(rèn)信號(hào)后，IRQ引腳產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送完成中斷，如果沒有握手信號(hào)返回，則表示發(fā)送失敗，器件自動(dòng)重新發(fā)送，如果重新發(fā)送的次數(shù)超過在ARC_CNT寄存器中的設(shè)定值時(shí)，會(huì)在IRQ引腳產(chǎn)生重發(fā)次數(shù)超限中斷。MCU查詢STATUS寄存器的值，即可判斷是發(fā)送完成中斷，還是重發(fā)次數(shù)超限中斷。
    當(dāng)發(fā)送端nRF24L0l配置成PTX模式時(shí)，配置nRF24L01工作在后一種發(fā)送模式下，重新發(fā)送的等待時(shí)間為250μs，重新發(fā)送次數(shù)為10次，地址是TX_AW，輸出功率為0 dBm，速度為2 Mb／s，并且使能發(fā)送完成和重發(fā)送次數(shù)超限兩種中斷，CRC校驗(yàn)位為2字節(jié)，nRF24L01處于POWER_UP狀態(tài)。函數(shù)中WRITE_REG為寫命令基地址0x20。程序如下：

    當(dāng)接收端nRF24L01模塊配置成PRX模式時(shí)，配置nRF24L0l工作在接收模式下，地址是RX_AW，負(fù)載數(shù)據(jù)寬度是TX_PL_W，使能接收完數(shù)據(jù)中斷，CRC校驗(yàn)位為2字節(jié)，nRF24L01處于POWER_UP狀態(tài)。程序如下：

5．2 nRF24L01的數(shù)據(jù)收發(fā)
    (1)發(fā)送數(shù)據(jù) 當(dāng)nRF24L0l模塊配置成發(fā)送模式后，向發(fā)送FIFO輸入數(shù)據(jù)即可啟動(dòng)傳輸。發(fā)送8 Byte的程序如下：

    (2)接收數(shù)據(jù) 當(dāng)nRF24L0l模塊配置成接收模式后，在接收到數(shù)據(jù)中斷發(fā)生時(shí)，從接收FIFO讀取數(shù)據(jù)。接收8字節(jié)的程序如下：

　

6 結(jié)語
    介紹了基于ARM和nRF24L0l的無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)的硬軟件設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)已應(yīng)用于微型飛行器的實(shí)時(shí)圖像傳輸和遙測中。在實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)需要，將nRF24LOl組成一對一、一對多、多對多的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)還可廣泛應(yīng)用于無線測控、文件傳輸?shù)阮I(lǐng)域。