基于MCU和nRF24L01的無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要 介紹了一種由STC12L5608AD高性能MCU和nRF24L01無(wú)線傳輸芯片組成的網(wǎng)絡(luò)化無(wú)線通訊系統(tǒng)；闡述了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和軟件開(kāi)發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，以及軟件的配置要點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的雙向通訊需求，并通過(guò)無(wú)線傳輸方式對(duì)單片機(jī)EEPROM進(jìn)行讀寫操作，保存系統(tǒng)信息。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果表明，該系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，達(dá)到了預(yù)期效果，滿足了網(wǎng)絡(luò)化條件下無(wú)線通訊的功能。
關(guān)鍵詞 無(wú)線通訊；STC12L5608AD；nRF24L01；網(wǎng)絡(luò)化；雙向通訊；EEPROM

    隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能MCU廣泛地運(yùn)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(shí)空、環(huán)境等因素的制約，不能完全滿足所有條件下任務(wù)的執(zhí)行，而通過(guò)無(wú)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(wèn)題。綜上論述，文中提出一種基于高性能MCU和nRF24L01的網(wǎng)絡(luò)化無(wú)線通信系統(tǒng)的解決方案，穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，滿足各種條件的需要。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1．1 nRF24L01無(wú)線通訊模塊介紹
    系統(tǒng)選用云佳科技的nRF24L01無(wú)線射頻收發(fā)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)子母機(jī)間的通訊，它使用Nordic公司的nRF24L01芯片開(kāi)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(wú)線收發(fā)器芯片，其具有如下性能特點(diǎn)：
    (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(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時(shí)電流消耗為9 mA，接收模式時(shí)為12．3 mA。待機(jī)模式下電流消22μA，掉電模式電流消耗僅為900 nA。
    (3)無(wú)線速率達(dá)到2 Mbit·s-1，SPI接口速率為0～8 Mbit·s-1，具自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制，極大地降低丟包率。
    (4)擁有自動(dòng)重發(fā)功能、地址及CRC校驗(yàn)功能。
    (5)具有125個(gè)可選工作頻道，擁有很短的頻道切換時(shí)間，可用于跳頻。
    nRF24L01引腳封裝如圖1所示。

1．2 STC12L5608AD芯片簡(jiǎn)介
    STC12L5608AD型MCU是宏晶科技新一代低電壓增強(qiáng)型8051單片機(jī)，該系列單片機(jī)具有如下特性：寬工作電壓(2．1～3．6 V)；具有1個(gè)時(shí)鐘／機(jī)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(qiáng)，無(wú)法解密；超強(qiáng)抗干擾、高抗靜電、輕松過(guò)4 kV快速脈沖干擾(EFT測(cè)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(guò)SPI接口與外部單片機(jī)進(jìn)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(shí)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(qǐng)求端，與單片機(jī)的外部中斷1相連，當(dāng)nRF24L01產(chǎn)生中斷后IRQ將置低，單片機(jī)檢測(cè)到此中斷后通過(guò)程序得知其與nRF24L01無(wú)線射頻模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)情況。通過(guò)單片機(jī)與無(wú)線通訊模塊的硬件連接，從而實(shí)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(shè)計(jì)。整個(gè)無(wú)線通訊系統(tǒng)由3個(gè)模塊組成。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2．1 數(shù)據(jù)包處理方式
    將nRF24L01配置成增強(qiáng)型ShockBurst模式，使得雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行更為簡(jiǎn)易有效。發(fā)送方要求終端設(shè)備在接收數(shù)據(jù)后有應(yīng)答信號(hào)，以便發(fā)送方檢測(cè)有無(wú)數(shù)據(jù)丟失。一旦數(shù)據(jù)丟失則通過(guò)重新發(fā)送功能將丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)。它可以同時(shí)控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無(wú)需增加MCU工作量。nR F24L01配置為增強(qiáng)型的ShockBurst發(fā)送模式下時(shí)，只要MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送，nRF24L01就會(huì)啟動(dòng)ShockBurst模式來(lái)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(yīng)答信號(hào)。如未收到應(yīng)答信號(hào)，nRF24L01將重發(fā)相同的數(shù)據(jù)包，直到收到應(yīng)答信號(hào)或重發(fā)次數(shù)超過(guò)SETUP _RETR_ARC寄存器中設(shè)置的值為止。如果重發(fā)次數(shù)超過(guò)了設(shè)定值，則產(chǎn)生MAX_RT中斷。只要收到確認(rèn)信號(hào)，nRF24L01就認(rèn)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(gè)數(shù)據(jù)通道使用不同的地址，但共用相同的頻道。即6個(gè)不同的nRF 24L01設(shè)置為發(fā)送模式后，可以與同一個(gè)設(shè)置為接收模式的nRF24L01進(jìn)行通訊，而設(shè)置為接收模式的nRF24L01可以對(duì)這6個(gè)發(fā)射端進(jìn)行識(shí)別。n RF24L01在確認(rèn)收到數(shù)據(jù)后記錄地址，并以此地址為目標(biāo)地址發(fā)送應(yīng)答信號(hào)。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)通道0被用作接收應(yīng)答信號(hào)。
2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程
    圖4為子模塊和主模塊程序設(shè)計(jì)流程圖，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為KeilC uVision3。

    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(jìn)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(yīng)答信號(hào)后再變成接收模式，進(jìn)入下一次接收發(fā)射循環(huán)；主模塊設(shè)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(jìn)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(dòng)回復(fù)應(yīng)答信號(hào)。通過(guò)切換接收發(fā)射狀態(tài)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)的雙向無(wú)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(jī)模式下(CE=0)，時(shí)鐘設(shè)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(duì)芯片內(nèi)部的特殊功能寄存器進(jìn)行初始化操作。
    通過(guò)對(duì)CONFID配置設(shè)定其工作模式，設(shè)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(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)包，如表1所示。

2．2．3 單片機(jī)內(nèi)部EEPROM應(yīng)用子程序
    單片機(jī)內(nèi)部EEPROM應(yīng)用子程序進(jìn)行扇區(qū)的擦除、寫入以及讀出功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)信息的讀取保存。

    STC12L5608AD單片機(jī)內(nèi)部有8個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)512 Byte。在使用時(shí)，統(tǒng)一修改的數(shù)據(jù)放在同一個(gè)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(yǔ)
    介紹了利用高性能MCU和nRF24L01芯片設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化無(wú)線通訊系統(tǒng)，說(shuō)明了其軟硬件設(shè)計(jì)要點(diǎn)。該系統(tǒng)已應(yīng)用于某故障監(jiān)測(cè)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)參考。