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

　　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(luò)化無線通信系統(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(shí)現(xiàn)子母機(jī)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(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)無線速率達(dá)到2 Mbit·s-1，SPI接口速率為0～8 Mbit·s-1，具自動應(yīng)答機(jī)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(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)，無法解密;超強(qiáng)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(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(jī)與無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，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(fù)。它可以同時(shí)控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無需增加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(zhuǎn)到接收模式并等待終端的應(yīng)答信號。如未收到應(yīng)答信號，nRF24L01將重發(fā)相同的數(shù)據(jù)包，直到收到應(yīng)答信號或重發(fā)次數(shù)超過SETUP _RETR_ARC寄存器中設(shè)置的值為止。如果重發(fā)次數(shù)超過了設(shè)定值，則產(chǎn)生MAX_RT中斷。只要收到確認(rèn)信號，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可以對這6個(gè)發(fā)射端進(jìn)行識別。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。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)通道0被用作接收應(yīng)答信號。

　　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，軟件開發(fā)環(huán)境為KeilC uVision3。