基于nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

　　1 nRF24L01芯片的介紹

　　nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段。工作電壓為1.9～3.6 V，有多達(dá)125個頻道可供選擇?？赏ㄟ^SPI寫入數(shù)據(jù)，最高可達(dá)10 Mb／s，數(shù)據(jù)傳輸率最快可達(dá)2 Mb／s，并且有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能。和上一代nRF2401相比，nRF2401數(shù)據(jù)傳輸率更快，數(shù)據(jù)寫入速度更高，內(nèi)嵌的功能更完備。

　　芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融進(jìn)了增強(qiáng)式ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有9 mA，接收時工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節(jié)能設(shè)計更方便。

　　1.1 nRF24L01引腳介紹

　　芯片引腳排列見圖1。

　　各引腳具體功能如下：CE為發(fā)射和接收的使能端；CSN為SPI的使能端；SCK為SPI時鐘輸入；MOSI為SPI數(shù)據(jù)主輸從人端；MISO為SPI數(shù)據(jù)主人從輸端；IRQ為中斷輸出；VDD為電源端，接3 V直流電源；VSS為參考接地端；XC1，XC2為晶振端；VDD_PA給功率放大器供電1.8 V；ANT1，ANT2為天線接口端；IREF為參考電流端。

　　1.2 nRF24L01的指令結(jié)構(gòu)

　　nRF24L01所有的配置字都由配置寄存器來定義，這些配置寄存器可通過SPI口訪問。

　　1.2.1 SPI接口設(shè)置

　　SPI接口由SCK，MOSI，MISO及CSN組成。

　　(1)在配置模式下單片機(jī)通過SPI接口配置nRF24L01的工作參數(shù)。
　　(2)在發(fā)射或接收模式下單片機(jī)SPI接口發(fā)送或接收數(shù)據(jù)。

　　和SPI接口的指令共有8個，使用每個指令時必須使CSN變低，用完后將其變高。單片機(jī)的控制指令從nRF24L01的MOSI引腳輸入，而nRF24L01的狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)信息是從其MISO引腳輸出并送給單片機(jī)的。利用SPI傳數(shù)時，他是先傳低位字節(jié)，再傳高位字節(jié)，并且在傳每個字節(jié)時是從高位字節(jié)傳起的。指令分別是；讀寄存器指令，格式是000A AAAA；寫寄存器指令，格式是001AAAAA(A AAAA代表寄存器在內(nèi)存中的地址；讀Payload指令；寫Payload指令；清發(fā)射堆棧指令；清接收堆棧指令；發(fā)射數(shù)據(jù)再利用；空操作。

　　1.2.2 中斷
　
　　當(dāng)nRF24L01的中斷源(TX_DS，RX_DR，MAX_RT)被置高時(TX_DS為發(fā)送成功標(biāo)志位，RX_DR為接收數(shù)據(jù)成功標(biāo)志位，MAX_RT為自動重發(fā)超上限標(biāo)志位)，就會使IRQ引腳置低。可以向狀態(tài)寄存器寫1來清這些中斷標(biāo)志位。通過設(shè)置CONFIG寄存器的某些位來屏蔽掉這些中斷源，默認(rèn)情況下，這三個中斷源都是允許的。

　　1.2.3 內(nèi)存區(qū)

　　下面介紹nRF24L01的內(nèi)存區(qū)，一共24個寄存器，以下選取幾個重要的加以介紹。

　　0號寄存器：第7位是保留位；第6位到第4位分別是TX_DS，RX_DR，MAX_RT屏蔽位，置高能屏蔽相應(yīng)的中斷源；第3位是CRC使能位；第2位是選擇CRC長度；第1位是PWR_UP位，高電平為使芯片上電；第0位是發(fā)射、接收選擇位，高電平是發(fā)射，低電平是接收。

　　1號寄存器：第7和第6位是保留位，第5到第0位是使能通道5到通道0的自動應(yīng)答，高電平有效。

　　2號寄存器：第7和第6位是保留位，第5到第0位是使能接收通道地址5到地址0，高電平有效。

　　4號寄存器：第7位到第4位是設(shè)置自動重發(fā)的時間，第3位到第0位是設(shè)置自動重發(fā)的次數(shù)。

　　7號寄存器是狀態(tài)寄存器，第7位是保留位，第6位是RX_DR位(1：接收堆棧中有了數(shù)據(jù))，第5位是TX_DS位(1：數(shù)據(jù)成功發(fā)送到接收方)，第4位是MAX_RT位(1：達(dá)到重發(fā)射上限，產(chǎn)生超時中斷)，第3到第1位是標(biāo)志哪個通道接收數(shù)據(jù)，第0位是發(fā)射堆棧狀態(tài)位。

　　1.3 nRF24L01的功能描述

　　nRF24L01可以通過設(shè)置CE和狀態(tài)寄存器來選擇他的工作狀態(tài)，如表1所示。

　　配置為發(fā)射模式的nRF24L01將會利用增強(qiáng)式ShockBurst技術(shù)來發(fā)射數(shù)據(jù)包。發(fā)送設(shè)備在發(fā)完數(shù)據(jù)后將自動轉(zhuǎn)為接收狀態(tài)來等待接收方的應(yīng)答信號。若發(fā)送設(shè)備未接收到應(yīng)答信號，他將自動重發(fā)這包數(shù)據(jù)(自動重發(fā)開啟的情況下)直到接收這包數(shù)據(jù)或者重發(fā)次數(shù)超過了在寄存器SETUP_RETR_ARC設(shè)置的所允許的最大重發(fā)次數(shù)。如果是第二種情況，他將在STATUS寄存器里的MAX_RT位反映出來，并且給出中斷。

　　當(dāng)nRF24L01收到應(yīng)答信號時，他將認(rèn)為該包數(shù)據(jù)成功發(fā)送到接收方，并把這包數(shù)據(jù)從發(fā)射堆棧中清除，同時IRQ變低，STATUS寄存器里的中斷標(biāo)志位TX_DS置高。

　　用增強(qiáng)式ShockBurst技術(shù)來發(fā)射數(shù)據(jù)可以有以下好處：極大地降低了電流損耗；系統(tǒng)開銷低；極大地降低了數(shù)據(jù)在空氣中的碰撞率。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 硬件設(shè)計

　　本系統(tǒng)采用的單片機(jī)是PIC16F877，將單片機(jī)的PORTC的0～5配置成通用I／O引腳，分別與nRF24L01的IRQ，CE，CSN，SCK，MOSI，MISO連接，控制nRF24L01的工作方式，采用單片機(jī)標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口。系統(tǒng)上電時，PIC16F877首先對nRF24L01進(jìn)行寫配置寄存器操作，然后使nRF24L01進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入nRF24L01，激活無線發(fā)射。然后檢測nRF24L01的IRQ引腳，由于關(guān)閉了自動重發(fā)射功能，因此如果引腳電平變低，即說明產(chǎn)生發(fā)送成功中斷，數(shù)據(jù)發(fā)送成功，然后從接收端讀出數(shù)據(jù)即可。

　　2.2軟件設(shè)計

　　程序流程圖如圖3所示。程序編程的基本思路是，系統(tǒng)上電首先配置nRF24L01的寄存器，本系統(tǒng)只對其中幾個寄存器進(jìn)行了重新配置，關(guān)閉自動重發(fā)射功能是想對發(fā)送失敗次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，其他的均采用默認(rèn)值，如：通信速率2 Mb／s，輸出功率0 dBm等。

　　nRF24L01寫配置子程序如下：

　　3 結(jié) 語

　　本文介紹了利用PIC16F877和nRF24L01芯片設(shè)計的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，成本低，體積小，傳輸速率高，具有良好的通用性和可靠性，可供監(jiān)測和工業(yè)控制系統(tǒng)電路設(shè)計參考使用。