基于nRf2401和CP2102的USB2.0無線測控網(wǎng)絡

0 前言

　　現(xiàn)在，越來越多的無線技術被應用到自動控制系統(tǒng)中。nRf2401是挪威Nordic公司推出的單片2.4GHz無線收發(fā)一體芯片，支持多點間通信，最高傳輸速率達到1Mbit/s，可以用于無線網(wǎng)絡中。

　　USB2.0口傳輸速率是480Mbps，有即插即用和熱插拔功能。接口提供內(nèi)置電源，可以向外設提供5V和最多500mA的電源。因此在以計算機為上位機的控制系統(tǒng)中，USB口比較適合作為計算機與測控網(wǎng)絡的接口。

　　USB接口器件的開發(fā)過程比較復雜，開發(fā)者需要知道USB協(xié)議、USB設備驅(qū)動程序開發(fā)、主機應用程序開發(fā)等知識，使用USB-UART橋接電路CP2102可以避免上述麻煩。

　　1系統(tǒng)的設計思想及nRf2401和CP2102介紹

　　系統(tǒng)的設計思想如圖1所示。系統(tǒng)是由 CP2102、nRF2401、單片機等組成。

　　圖1  系統(tǒng)設計思想

　　nRF2401是業(yè)界體積最小、功耗最低、外圍元件最少的低成本射頻芯片。有125個頻道，速率(0~1Mbps)、發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可編程設置。每個芯片可以通過軟件設置最多40bit地址，而且只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)。內(nèi)置CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議。nRf2401內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊。工作于2.4～2.5GHz ISM自由頻段，采用SoC方法設計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。nRF2401沒有復雜的通信協(xié)議，它完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。

　　CP2102是美國Silicon公司生產(chǎn)的高集成度USB-UART橋接電路。它們能夠用最簡單的外部電路、最少的外部器件簡便實現(xiàn)USB2.0到UART的轉換。

　　使用CP2102作為USB接口器件最大的特點是開發(fā)方便：①廠商免費提供適用于Windows(含Windows CE)、Linux等操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序?qū)⒂嬎銠C的USB口虛擬成一個COM口，計算機使用普通操作串口的命令訪問虛擬COM口。②內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、48MHz內(nèi)部晶體振蕩器、1KB字節(jié) E2PROM及異步串行數(shù)據(jù)總線（UART），電路無需任何外部的USB器件。③CP2102的UART接口波特率為300bps～921.6kbps，可以滿足無線網(wǎng)絡的傳輸要求。

　　2硬件電路的實現(xiàn)

　　上位機系統(tǒng)電路如圖2所示。單片機選用ATmega16，是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的8 位AVR® 微處理器，采用先進的RISC 結構，數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz。片內(nèi)集成有16K 字節(jié)可編程Flash、512 字節(jié)的E2PROM、1K字節(jié)的SRAM、兩個可編程 的串行UART和可工作于主機/從機模式的SPI 串行接口。

　　圖2 上位機系統(tǒng)電路

　　CP2102無需外部電阻和晶體，VBus與REGIN引腳連到USB接口的Vbus端，在REGIN端加1μF的去耦電容。CP2102與單片機接口是標準UART電平，RTX、TXD引腳分別是串口的接收、輸出端，與單片機的對應引腳相連。CP2102的USB端與計算機的USB口連接。CP2102的SUSPEND腳是USB口掛起信號端，接到單片機的PC4引腳。

　　圖3 無線收發(fā)模塊

　　上位機所有器件均由計算機的USB口提供電源。ATmega16L的電源電壓范圍為2.7～5.5V，nRF2401的電源電壓范圍為1.9～3.6V，利用計算機USB口的+5V電源，通過MIC2937A芯片將電壓轉換為3.3V。

　　無線收發(fā)模塊電路如圖3所示。nRf2401外圍元件很少，可使用單鞭天線或環(huán)形天線，電感需要采用高Q高精度的貼片繞線高頻電感，晶體需采用高穩(wěn)定晶體，電容應選用高穩(wěn)定貼片元件。nRf2401通過SPI接口與單片機進行通訊，ATmega16集成了SPI接口（CLK、MISO、MOSI引腳），與nRf2401的CLK1、DATA相連接。nRf2401的CS是片選端，CE是發(fā)送或接收控制端，PWR_UP是電源控制端，分別由單片機的PC5、PC6、PC7引腳控制。nRf2401的DR1為高時表明在接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，接單片機的中斷引腳。

　　3 單片機程序設計

　　3.1單片機對串口的編程

　　ATmega16集成有串口，使用前需要先對它進行初始化。具體過程如下：①UCSRA=0，異步正常模式；②UBRR=1，設置波特率為500Kbps;③UCR= 0x98，使能接收中斷，允許發(fā)送；④SREG=0x80;//開中斷。

　　初始化后，可以通過串口與CP2102進行數(shù)據(jù)交換。采用中斷方式接收，當有串口數(shù)據(jù)到達時單片機產(chǎn)生中斷，單片機響應中斷從接收緩沖器讀入數(shù)據(jù)。串口接收中斷程序如下：

　　#pragma interrupt_handler uart_rec:8

　　unsigned char i;

　　void uart_rec()

　　{i=UDR;}

　　串口發(fā)送程序如下：①UDR=1，發(fā)送數(shù)據(jù)；②while(!(USR&0x40))，等待發(fā)送結束；③USR&=~0x40，清發(fā)送完標志。

　　3.2單片機對nRf2401的編程

　　單片機對nRf2401的編程包括對nRf2401進行配置、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)等程序。

　　當PWR_UP=1、CE=0、CS=1時nRf2401進入配置工作狀態(tài)。配置字最高可達18字節(jié)，作用是使nRf2401子系統(tǒng)能夠處理RF協(xié)議。配置字從最高位開始，依次通過SPI接口（CS、CLK1和DATA）送給配置寄存器。本系統(tǒng)配置為ShockBurst方式，配置字分為如下四塊：有效數(shù)據(jù)寬度（DATA2_W和DATA1_W）、地址寬度（ADDR2和ADDR1）、接收頻道地址（ADDR_W）、CRC配置（CRC_L和CRC_EN）。其值從高到低分別為8EH, 08H, 1CH, 20H, 50H, 0AH, 0

BH, 0CH, 0DH, 0EH, 0AAH, 28H, 0AH, 0BH, 0CH, 0A3H, 6FH, 65H。配置后nRf2401的通道1數(shù)據(jù)段長度80bit(其中nRf2401的序列號8byte + 2byte溫度數(shù)據(jù))，地址段長度40bit，通道1硬件地址0AAH, 28H, 0AH, 0BH, 0CH，啟用16位片上校驗功能，單通道接收，突發(fā)傳遞模式，通信速率1Mbit/s，晶振頻率16MHz，工作頻段2.450GHz，開始處于接收狀態(tài)。

 

　　當PWR_UP=1、CE=1、CS=0時為收發(fā)方式。ShockBurst發(fā)送過程如下：①CE=1，nRf2401開始工作；②將接收節(jié)點地址寫入nRf2401；將需要發(fā)射的數(shù)據(jù)寫入nRf2401；③CE=0，激活ShockBurst發(fā)送。

　　通過中斷方式接收數(shù)據(jù)。當有數(shù)據(jù)需要接收時，nRf2401會將DR1置高產(chǎn)生中斷信號，接收完畢后DR1又會被置低。首先配置中斷0為上升沿觸發(fā)方式（ISC01=1， ISC00=1），具體接收過程如下：①校驗接收到的RF包的地址和欲接收的RF包中有效數(shù)據(jù)的長度；②CE=1，激活RX；③經(jīng)過200μs處理，nRf2401子系統(tǒng)監(jiān)視啟動并等待信號的到來；④當收到一個有效的數(shù)據(jù)包（正確的地址和CRC），nRf2401子系統(tǒng)移去前綴、地址和CRC位；⑤nRf2401子系統(tǒng)通過把DR1置高，產(chǎn)生中斷信號；⑥CE=0，RF設為低功耗方式；⑦單片機取出有效數(shù)據(jù)，需要注意的是，每接收一個字節(jié)需要先寫0xff 到nRF2401。

　　完整的射頻數(shù)據(jù)包由四部分組成：前綴、地址、有效數(shù)據(jù)和CRC。前綴一般是8位（也可以設置為4位，由地址的首位決定）。如果地址的首位是0，前綴為01010101；如果地址的首位是1，前綴為10101010。ShockBurst方式下，CP2102接收到有效的數(shù)據(jù)包后，自動移去前綴、地址和CRC，只留有效數(shù)據(jù)。

　　4 計算機控制軟件的編程

　　當把CP2102與計算機連接時，系統(tǒng)會提示發(fā)現(xiàn)新硬件，并要求安裝驅(qū)動程序，執(zhí)行CP2102驅(qū)動程序的安裝文件即可。驅(qū)動程序安裝后，在設備管理器中會有CP2102虛擬的COM口（一般是COM3）。

　　VB開發(fā)環(huán)境集成有串口控件MSComm，該控件是將RS-232的初級操作予以封裝，用高級的Basic語言即可實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[2]。

　　首先向工具箱添加MSComm控件，并產(chǎn)生一個串口對象，取對象名為“MSc”。然后編程對MSc進行初始化，步驟如下：①MSc.CommPort=3， 選擇安裝驅(qū)動程序后計算機虛擬的COM3口；②MSc.Settings = "500000,n,8,1"，設置通信波特率是500kbps，無校驗，8位數(shù)據(jù)，1位停止位；③MSc.InputMode=1，數(shù)據(jù)以二進制形式存?。虎躆Sc.RThreshold=1，每收到1個字符都觸發(fā)接收事件；⑤MSc.PortOpen=True，打開串口。

　　發(fā)送數(shù)據(jù)只是向控件的Output屬性寫數(shù)據(jù)即可，既MSc.Output=輸出的數(shù)據(jù)。

 

　　接收數(shù)據(jù)采取事件驅(qū)動方式，程序代碼如下：

　　Public Sub msc_OnComm()

　　Select Case MSc1.CommEvent

　　                     Case comEvReceive

 

　　                                 av = MSc.Input  ‘接收數(shù)據(jù)

　　                                 ……‘根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進行處理

　　End S

       elect

 

　　   End Sub

　　5 結束語

　　本系統(tǒng)通過CP2102實現(xiàn)USB2.0接口，通過nRf2401通實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，具有開發(fā)簡單、可靠性高等特點，傳輸速率可以達到900kbps，在工業(yè)控制、消費電子等各個領域都具有廣闊的應用前景。本文的創(chuàng)新點：系統(tǒng)使用CP2102芯片實現(xiàn)USB2.0接口，芯片廠商免費提供驅(qū)動程序，計算機端程序開發(fā)方便。使用nRf2401實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，有內(nèi)置地址設置、CRC糾檢錯、工作于自由頻段優(yōu)點。文章給出詳細的硬件電路和軟件程序。

　　參考文獻

　　[1] Silicon Laboratories Inc.CP2102 Product Data Sheet, http:// www.silabs.com，2006

　　[2] 范逸之等.Visual Basic與RS-232串行通信控制.北京:中國青年出版社，2002.1

　　[3] nRF240x Configurator User Guide. Nordic VLSI document, Nordic Cooperation.

　　[4] 彭祖林,鄧羅根,劉細華.用于測量體溫的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息,2005,1:59-61