基于nRF24L01和PIC16F877無線數(shù)據(jù)傳輸

　　引言

　　在工業(yè)控制現(xiàn)場, 常常需要采集大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù), 如溫度、濕度、氣壓等, 并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)進(jìn)行處理，由主機(jī)根據(jù)處理的結(jié)果, 將控制信號傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行模塊進(jìn)行各種操作。可以看出數(shù)據(jù)從采集設(shè)備到處理終端,監(jiān)測控制指令從處理終端到采集設(shè)備,均需經(jīng)過傳輸過程這一重要環(huán)節(jié)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處于運(yùn)動狀態(tài),或者所處的環(huán)境不允許鋪設(shè)電纜,采集設(shè)備必須與終端設(shè)備分離,此時只能通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一個無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),它應(yīng)用Microchip公司的PIC16F877單片機(jī)控制Nordic公司的無線數(shù)字傳輸芯片nRF24L01 ,通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：該系統(tǒng)使用靈活、成本低廉,可方便地嵌入到無線監(jiān)測系統(tǒng)中。

　　1.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　圖1為系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體框圖。此無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主控制芯片采用Microchip公司的PIC16F877微處理器，它負(fù)責(zé)控制無線芯片L01，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。為了進(jìn)行多通道的數(shù)據(jù)采集，這里采用10片A/D進(jìn)行分時采樣，它們的工作時序則由CPLD來控制，每路采集的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后無線發(fā)射，至于何時采樣，則由單片機(jī)發(fā)的Trigger信號決定。 在與計(jì)算機(jī)的通訊方面，系統(tǒng)采用USB芯片通過USB口將無線接收數(shù)據(jù)送入計(jì)算機(jī)，并存儲在一個二進(jìn)制文件內(nèi)，當(dāng)傳輸完畢后，運(yùn)行VB讀數(shù)軟件，可將采集的信號讀出以供分析。

　　2.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 數(shù)據(jù)采集部分

　　數(shù)據(jù)采集部分主要由傳感器、低通濾波放大器、A/D以及CPLD組成，電源管理則主要為各個芯片提供合適工作電壓，并為CPLD提供1MHZ主時鐘輸入。此系統(tǒng)采用10片AD7492，可進(jìn)行10路模擬信號的采樣。CPLD主要控制10片A/D的采樣和讀數(shù)時序，采樣率由CPLD內(nèi)部分頻器和無線傳輸率大小決定。為了配合無線傳輸模塊的工作，這里采用觸發(fā)采樣。即在CPLD內(nèi)部設(shè)計(jì)D觸發(fā)器，并用VCC連接D輸入端，Trigger信號作為時鐘輸入，如圖2所示。系統(tǒng)上電后，CPLD便檢測其引腳Trigger端，當(dāng)出現(xiàn)上升沿時， D觸發(fā)器輸出高電平，打開與非門，Convast就會輸出1KHz信號，A/D采樣開始。

　　2.2 無線傳輸部分

　　數(shù)據(jù)傳輸主要利用PIC16F877單片機(jī)對無線射頻芯片L01的控制實(shí)現(xiàn)的。nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHzISM頻段，工作電壓為1.9V～3.6V，工作溫度為- 40℃～+ 85℃,有多達(dá)125個頻道可供選擇,最高通信速率2Mbit/s ,具有自動應(yīng)答和重發(fā)功能，其工作參數(shù)全部通過芯片狀態(tài)字配置，而這些配置字是由PIC16F877通過SPI[1]訪問L01的。L01主要技術(shù)為：

　　工作模式 ：CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ這6個管腳為該芯片的控制引腳。微處理器通過對這6個引腳的控制就可以決定該芯片的工作模式。當(dāng)PWR_UP、PRIM_RX和CE為“111”時，L01處于接收模式;為“101”時處于發(fā)射模式;為“1X0”時處于空閑模式1;為“0XX”時處于掉電模式。

　　增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)：L01融進(jìn)了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)使得雙向通信協(xié)議變得簡單。在一個典型的雙向通信中，接收方在收到發(fā)射方的數(shù)據(jù)時，將會向發(fā)射方回傳一個應(yīng)答信號，若接收方未收到該數(shù)據(jù)，發(fā)射方在等待一定延遲時間后將自動重發(fā)此包數(shù)據(jù)(在自動重發(fā)功能開啟的情況下)，這都不需要CPU的參與。

　　數(shù)據(jù)通道：當(dāng)L01處于接收狀態(tài)時，它可以接收來自6個不同通道的數(shù)據(jù)。每個通道都有一個屬于自己的通道地址，但共享同一頻道。也就是說，一個配置為接收模式的L01可以和6個配置為發(fā)射模式下的L01進(jìn)行通信，接收機(jī)可以根據(jù)它們的通道地址進(jìn)行區(qū)分。通道0有一個40位的地址，通道1—5則共享高32位地址，只是低8位不同。每個通道都能開啟自動重發(fā)射和自動應(yīng)答功能。處于接收狀態(tài)下的L01在回傳應(yīng)答信號時，將利用該接收通道的地址作為發(fā)射應(yīng)答信號的發(fā)射地址。在發(fā)射設(shè)備中，通道0常用于接收應(yīng)答信號。發(fā)射數(shù)據(jù)的地址必須和接收通道0的地址一致 ，這樣才能有效地接收應(yīng)答信號。

　　數(shù)據(jù)包描述：“1字節(jié)字頭 + 3～5字節(jié)地址 + 9Bit標(biāo)志位 + 1～2字節(jié)CRC”。 當(dāng)L01要發(fā)送數(shù)據(jù)時，微控制器要先把地址和有效數(shù)據(jù)寫入L01緩存區(qū)，然后由L01自動產(chǎn)生字頭和CRC校驗(yàn)碼，之后再發(fā)射出去。

　　2.3 USB接口設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用USB芯片F(xiàn)T245，由單片機(jī)控制讀寫操作。FT245提供了一些狀態(tài)標(biāo)志位(RXF，TXE)供單片機(jī)查詢，以便讓單片機(jī)發(fā)讀寫脈沖執(zhí)行讀寫操作，控制非常簡單。