基于MCU和nRF24L01的無線通信系統(tǒng)設計
摘要 介紹了一種由STC12L5608AD高性能MCU和nRF24L01無線傳輸芯片組成的網(wǎng)絡化無線通訊系統(tǒng);闡述了系統(tǒng)的硬件電路設計和軟件開發(fā)關鍵技術,以及軟件的配置要點。實現(xiàn)了多點對單點的雙向通訊需求,并通過無線傳輸方式對單片機EEPROM進行讀寫操作,保存系統(tǒng)信息。系統(tǒng)運行結果表明,該系統(tǒng)能可靠穩(wěn)定地實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸,達到了預期效果,滿足了網(wǎng)絡化條件下無線通訊的功能。
關鍵詞 無線通訊;STC12L5608AD;nRF24L01;網(wǎng)絡化;雙向通訊;EEPROM
隨著微電子技術的迅速發(fā)展,高性能MCU廣泛地運用在嵌入式系統(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),由于受時空、環(huán)境等因素的制約,不能完全滿足所有條件下任務的執(zhí)行,而通過無線數(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題。綜上論述,文中提出一種基于高性能MCU和nRF24L01的網(wǎng)絡化無線通信系統(tǒng)的解決方案,穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸,滿足各種條件的需要。
1 系統(tǒng)硬件設計
1.1 nRF24L01無線通訊模塊介紹
系統(tǒng)選用云佳科技的nRF24L01無線射頻收發(fā)模塊來實現(xiàn)子母機間的通訊,它使用Nordic公司的nRF24L01芯片開發(fā)而成,是一款工作在2.4~2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片,其具有如下性能特點:
(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。當工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時電流消耗為9 mA,接收模式時為12.3 mA。待機模式下電流消22μA,掉電模式電流消耗僅為900 nA。
(3)無線速率達到2 Mbit·s-1,SPI接口速率為0~8 Mbit·s-1,具自動應答機制,極大地降低丟包率。
(4)擁有自動重發(fā)功能、地址及CRC校驗功能。
(5)具有125個可選工作頻道,擁有很短的頻道切換時間,可用于跳頻。
nRF24L01引腳封裝如圖1所示。
1.2 STC12L5608AD芯片簡介
STC12L5608AD型MCU是宏晶科技新一代低電壓增強型8051單片機,該系列單片機具有如下特性:寬工作電壓(2.1~3.6 V);具有1個時鐘/機器周期的高速性能,比普通8051快8~12倍,可用低頻晶振;自帶-8路10位AD轉換器等;加密性強,無法解密;超強抗干擾、高抗靜電、輕松過4 kV快速脈沖干擾(EFT測試)、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SPI接口與外部單片機進行數(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為芯片內部SPI硬件接口的使能端,低電平有效;SCK為SPI的時鐘輸入端,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為中斷請求端,與單片機的外部中斷1相連,當nRF24L01產生中斷后IRQ將置低,單片機檢測到此中斷后通過程序得知其與nRF24L01無線射頻模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)情況。通過單片機與無線通訊模塊的硬件連接,從而實現(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計。整個無線通訊系統(tǒng)由3個模塊組成。
2 系統(tǒng)軟件設計
2.1 數(shù)據(jù)包處理方式
將nRF24L01配置成增強型ShockBurst模式,使得雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行更為簡易有效。發(fā)送方要求終端設備在接收數(shù)據(jù)后有應答信號,以便發(fā)送方檢測有無數(shù)據(jù)丟失。一旦數(shù)據(jù)丟失則通過重新發(fā)送功能將丟失的數(shù)據(jù)恢復。它可以同時控制應答及重發(fā)功能而無需增加MCU工作量。nR F24L01配置為增強型的ShockBurst發(fā)送模式下時,只要MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送,nRF24L01就會啟動ShockBurst模式來發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送完數(shù)據(jù)后nRF24L01轉到接收模式并等待終端的應答信號。如未收到應答信號,nRF24L01將重發(fā)相同的數(shù)據(jù)包,直到收到應答信號或重發(fā)次數(shù)超過SETUP _RETR_ARC寄存器中設置的值為止。如果重發(fā)次數(shù)超過了設定值,則產生MAX_RT中斷。只要收到確認信號,nRF24L01就認為最后一包數(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。每個數(shù)據(jù)通道使用不同的地址,但共用相同的頻道。即6個不同的nRF 24L01設置為發(fā)送模式后,可以與同一個設置為接收模式的nRF24L01進行通訊,而設置為接收模式的nRF24L01可以對這6個發(fā)射端進行識別。n RF24L01在確認收到數(shù)據(jù)后記錄地址,并以此地址為目標地址發(fā)送應答信號。在發(fā)送端,數(shù)據(jù)通道0被用作接收應答信號。
2.2 系統(tǒng)軟件設計流程
圖4為子模塊和主模塊程序設計流程圖,軟件開發(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)送并接收到應答信號后再變成接收模式,進入下一次接收發(fā)射循環(huán);主模塊設置為接收數(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;接收信息后自動回復應答信號。通過切換接收發(fā)射狀態(tài)實現(xiàn)多點對單點的雙向無線數(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模式下(CE=0),時鐘設置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
對芯片內部的特殊功能寄存器進行初始化操作。
通過對CONFID配置設定其工作模式,設置接收地址,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,準備接收數(shù)據(jù)包,如表1所示。
2.2.3 單片機內部EEPROM應用子程序
單片機內部EEPROM應用子程序進行扇區(qū)的擦除、寫入以及讀出功能,實現(xiàn)系統(tǒng)信息的讀取保存。
STC12L5608AD單片機內部有8個扇區(qū),每個扇區(qū)512 Byte。在使用時,統(tǒng)一修改的數(shù)據(jù)放在同一個扇區(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 結束語
介紹了利用高性能MCU和nRF24L01芯片設計的網(wǎng)絡化無線通訊系統(tǒng),說明了其軟硬件設計要點。該系統(tǒng)已應用于某故障監(jiān)測系統(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,可供無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)參考。