在特殊環(huán)境的數據測控應用中,無線數據傳輸已經越來越廣泛地被運用,+的組合特別適合于低功耗,短距離(100-200m)、小數據量的無線數傳系統(tǒng), CPU在低功耗應用方面有很大優(yōu)勢,芯片具有功耗低、控制簡單、可自動處理字頭和CRC校驗的優(yōu)點,兩者結合組成的數傳系統(tǒng)可以在很多產品中得到應用。
1 簡介
MSP430是TI公司新推出的16位系列,在供電的低功耗應用中具有獨特的優(yōu)勢,其工作電壓在1.8-3.6V之間,正常工作時功耗可控制在200μA左右,低功耗模式使可實現2μA甚至0.1μA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、多個器,片內、看門狗、片內振蕩器、大量的I/O端口及大容量的片內存儲器,一般單片就可以滿足大多數的應用需要。
在低功耗應用中設計程序時,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)生時喚醒進入終端服務程序,完成后重新進入低功耗模式,照此循環(huán)往復,可以最大限度地降低功耗。
2 簡介
nRF905是挪威Nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片,工作電壓為1.9-3.6V,32引腳QFN封裝(5mm×5mm),工作于433/868/915MHz3個ISM頻道(可以免費使用)。nRF905可以自動完成處理字頭和CRT(循環(huán)冗余碼校驗)的工作,可由片內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-10dBm的輸出功率發(fā)射時電流只有11mA,在接收模式時電流為12.5mA。
nRF905傳輸數據時為非實時方式,即發(fā)送端發(fā)出數據,接收端收到后先暫存于芯片存儲器內,外面的MCU可以在需要時再到芯片中去取。nRF905一次的數據傳輸量最多為32B。
2.1 nRF905的工作模式及設置
nRF905的兩種工作模式和兩種節(jié)能模式,分別為掉電模式、待機模式、ShockBurst TM接收模式和ShockBurst 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。
外界MCU通過SPI總線配置nRF905的內部寄存器,讀寫數據時必須把其置為待機或掉電模式,nRF905在待機模式時功耗為40μA,在掉電模式時功耗為2.5μA。
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(數據就緒),均為高電平有效,nRF905在處于接收模式時,若檢測到接收頻率段的載波,就置CD為高,接著檢測載波數據中的地址字節(jié),若與本身已配置的接收地址相同,則置AM為高,若再檢測到接收數據中的CRC校驗正確,則存儲有效數據字節(jié),置DR為高。
此外,nRF905還有一個時鐘輸出引腳uPCLH,供用戶選擇使用。通過配置內部寄存器,可改變其頻率輸出,這一點在調試時很有用。無線系統(tǒng)至少需要一發(fā)一收兩個設備,調試時若出現問題很難判斷是哪一方的故障??梢酝ㄟ^修改nRF905的寄存器,用觀察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,從而判斷及設備是否工作正常。
2.3 nRF905的數據接口
外圍MCU通過SPI總線配置nRF905的內部寄存器和收發(fā)數據,nRF905的SPI總線包括4個引腳:CSN(SPI使能)、SCK(SPI時鐘)、MISO(主入從出)和MOSI(主出從入)。這里nRF905為從機,其SPI的時鐘范圍很寬,可以從1Hz-10MHz,因此MCU在寫控制程序時不必苛求時間的準確度。
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,總線上的數據在時鐘的上升沿有效,MCU對SPI總線的操作不外乎兩種方式:讀和寫,在進行讀操作時,先把CSN置低,然后在MOSI數據線上輸出一個表示讀命令的字節(jié),與此同時,nRF905會在MISO數據線上輸出一字節(jié)表示狀態(tài)信息的數據,隨后輸出一地址字節(jié),后面跟隨有效數據,在進行寫操作時比較簡單,MCU先把CSN拉低,然后在MOSI線上輸出寫命令字節(jié)和數據字節(jié)即可。
2.4 nRF905的寄存器配置
nRF905內部有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、無線發(fā)送功率配置、接收靈敏度、收發(fā)數據的有效字節(jié)數、結社地址配置等重要信息;二是發(fā)送數據寄存器,共32字節(jié),MCU要向外發(fā)的數據就需要寫在這里,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手地址配置相同,四是接收數據寄存器,共32字節(jié),nRF905接收到的有效數據就存儲在這些寄存器中,MCU可以在需要時到這里讀取,五是狀態(tài)寄存器,1個字節(jié),含有地址匹配和數據就緒的信息,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(0XH,“X”含4位二進制位,該字節(jié)表示要開始寫的初始字節(jié)數)、讀射頻配置(1XH,“X”含4位二進制位,該字節(jié)表示要從哪個字節(jié)開始讀)、寫發(fā)送數據(20H),讀發(fā)送數據(21H)、寫發(fā)送地址(22H)、讀發(fā)送地址(23H)和讀接收數據(24H),關于寄存器的詳細信息可以參閱nRF905的數據手冊。
2.5 nRF905的工作過程
nRF905在正常工作前應由MCU先根據需要寫好配置寄存器,或是按照默認配置工作,其后的工作主要是兩個:發(fā)送數據和接收數據。
發(fā)送數據時,MCU應先把nRF905置于待機模式(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)送的數據都寫入相應的寄存器中,之后把nRF905置于發(fā)送模塊(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高)數據就會自動通過發(fā)送出去,若射頻配置寄存器中的自動重發(fā)位(_RETRAN)設為有,數據包就會重復不斷地一直向外發(fā),直到MCU把TRX_CE拉低,退出發(fā)送模式為止。為了數據更可靠地傳輸,建議多使用此種方式。
接收數據時,MCU先在nRF905的待機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=0),nRF905就會自動接收空中的載波,若收到地址匹配的和校驗正確的有效數據,DR引腳會自動置高,MCU在檢測到這個信號后,可以改其為待機模式,通過SPI總線從接收數據寄存器中讀出有效數據。
3 系統(tǒng)硬件設計
MSP430的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,在硬件設計時把MCU的SPI接口和nRF9051SPI接口相連即可,另外再選幾個I/O口連接Nrf9051輸出輸出信號。
對于初次接接觸無線系統(tǒng)的設計者,因其射頻部分的元件采購,焊接和調試比較麻煩,可以選用模塊,該模塊內核使用nRF905,硬件電路已經焊好,十月起來相對方便一些。
4 控制程序設計
本系統(tǒng)設計的重點是控制的程序設計,大致分為兩個階段:首先是對進行初始配置,配置完成后按 需要便攜書記的發(fā)送或接收程序。
4.1 初始化配置
第一階段應完成初始化配置,分以下幾項:
1)MSP430的SPI接口設置,MSP4301異步串行接口和SPI接口用同一個模塊,賊里需要用軟件配置為SPI功能,本設計中SPI配置為主機模塊、3線制和8位數據,程序源代碼參見子程序“SPI_SET五”。(編者注:程序源代碼見本刊網站.cn)
2)初始化的射頻配置寄存器,這些寄存器中有很多信息,必須根據實際情況進行配置,本設計中nRF905外界晶體,“XOF應配置為“011”;“PA_PWR”為發(fā)射功率,RX_RED_PWR”為接收命靈敏度,可根據需要配置;另外還有發(fā)送地址、接收地址、發(fā)送數據和結社數據的長度(字節(jié)數)可根據實際應用配置,注意賊組寄存器中海油接收時的實際地址,不而發(fā)送地址在單獨的寄存器中。
3)配制的發(fā)送地址,最多4個字節(jié)(32位),發(fā)送端的發(fā)送地址應于接受端設備的結社地址相同,在實際工作中nRF901可以自動濾濾除地址不相同的數據,只有地址匹配且校驗正確的數據彩繪被接受,并存儲在接收數據寄存器中。
4.2 發(fā)送數據
使nRF905發(fā)送數據前需要MSP430通過SPI總線在待機模式便板待法數據填進發(fā)送數據寄存器中,一次最多32B,然而把nRF9051“TRX_CE”、“TX_EN” 因該都置為高電平,數據就會自動發(fā)送出去,本設計射頻配置寄存器中選定了自動重發(fā)位,因此在“TRX_CE”被置高的時間內數據一直在重復不斷地發(fā)。本程序中設計延時500ms,之后拉低“TR X_CE”因該,回到待機模式。
4.3 接收數據
MSP430把nRF905的“TRX_CE”引腳置為高電平,“TX_CE引腳拉為低電平后就刻蝕結社數據,本設計中CPU在設定的35s內一直判斷Nrf9051“DR”引腳是否便變高個,若為高則證明接收到了有效數據,可以退出接收模式,弱一致沒有接受2到,待時間到時也退出接接受是模塊,退出后在待機模塊,CPU通過SPI總線把內部的接收數據寄存器中數據讀出,即接收道德有效數據。
便攜接受部分程序時,有一點應該注意,很多資料中都沒有提到,就是CPU在MOSI信號線上發(fā)出讀命令字節(jié)后“MISO”信號線上nRF905會自動返回一字節(jié)數據,本本身的狀態(tài)寄存器信息,后續(xù)的接收數據并不會自動跟著輸出,只有CPU在MOSI上輸出一個字節(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再滿會,直到讀完為止。