基于nRF24L01的2.4GHz無線通信系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

　　隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的高速發(fā)展，人們對無線通信質(zhì)量的需求不斷提高。老一代無線傳輸技術(shù)以無法滿足現(xiàn)今需求。于是新一代無線傳輸孕育而生；2.4G無線傳輸技術(shù)就是其中之一。

　　所謂的2.4G無線傳輸技術(shù)，其頻段處于2.405GHz-2.485GHz（科學(xué)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)）之間。所以簡稱為2.4G無線技術(shù)。這個頻段里是國際規(guī)定的免費頻段，是不需要向國際相關(guān)組織繳納任何費用的。這就為2.4G無線技術(shù)可發(fā)展性提供了必要的有利條件。而且2.4G無線技術(shù)不同于之前的27MHz無線技術(shù)，它的工作方式是全雙工模式傳輸，在抗干擾性能上要比27MHz有著絕對的優(yōu)勢。這個優(yōu)勢決定了它的超強(qiáng)抗干擾性以及最大可達(dá)10米的傳輸距離。此外2.4G無線技術(shù)還擁有理論上2M的數(shù)據(jù)傳輸速率，比藍(lán)牙的1M理論傳輸速率提高了一倍。這就為以后的應(yīng)用層提高了可靠的保障。綜合2.4G、藍(lán)牙以及27MHz這三種常用的無線傳輸技術(shù)，2.4G有著自己獨到的優(yōu)勢所在。相比藍(lán)牙它的產(chǎn)品制造成本更低，提供的數(shù)據(jù)傳輸速率更高。相比同樣免費的27MHz無線技術(shù)它的抗干擾性、最大傳輸距離以及功耗都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出。

　　實現(xiàn)方案及硬件選型

　　系統(tǒng)實現(xiàn)方案

　　系統(tǒng)的目的是在單片機(jī)的控制下實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸 ，硬件電路結(jié)構(gòu)如圖 1 所示

　　該系統(tǒng)主要以單片機(jī)為控制處理核心 ，由它完成對數(shù)據(jù)的采集處理以及控制數(shù)據(jù)的無線傳輸 ;電源電路提供系統(tǒng)所需各種電壓 ;復(fù)位電路提供單片機(jī)所需的復(fù)位信號 ;晶振電路提供單片機(jī)的時鐘信號 ;指示電路用來指示無線傳輸模塊的工作狀態(tài) ;鍵盤電路用來發(fā)送各種類型的指令和數(shù)據(jù) ;顯示電路用來顯示系統(tǒng)接收到的指令和數(shù)據(jù)。

　　硬件選型

　　設(shè)計采用低成本、性能好的 NORDIC 公司生產(chǎn)的 nRF24L01 芯片來完成。nRF24L01 是單片射頻收發(fā)芯片 ，工作在全球開放的 2. 4 GHz 頻段 ，有多達(dá)125 個頻道可供選擇 ;可通過 SPI 寫入數(shù)據(jù) ，并且有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能 ;芯片功耗非常低 ，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使節(jié)能設(shè)計更方便 ，并且市場上有不少以它為核心的模塊 ，便于購買。PTR6000 就是以 nRF24L01 為核心的無線收發(fā)模塊 ，它可以通過軟件設(shè)定地址 ，同時設(shè)置6 路接收通道地址 ，特別方便點對多點無線通信。其內(nèi)部全面的寄存器配置 ，能夠更全面地對無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)募?xì)節(jié)進(jìn)行控制。所以本次的無線數(shù)傳模塊選用了 PTR6000 ，它的硬件接口如圖 2 所示。

　　在待機(jī)或掉電模式下 ，單片機(jī)通過 SPI 接口配置 PTR6000 的工作參數(shù) ;在發(fā)射/ 接收模式下 ，單片機(jī)通過 SPI 接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù) ;中斷輸出接口IRQAM可提供如下 3 種中斷輸出 ：發(fā)送完成中斷TX DR、接收完成中斷 RX DR、最大發(fā)送次數(shù)到MAX RT。

　　由于 PTR6000 的工作電壓為 1. 9～3. 6 V ，AVR系列單片機(jī)也工作在低電壓 ，并且具有 SPI 接口 ，正好滿足了這一點要求 ;考慮到顯示部分使用串行方式 ，所使用的 I/ O 口不是很多 ，ATmega8L 足以滿足要求 ，為了降低設(shè)計成本 ，控制芯片選擇 ATmega8L。

　　硬件電路設(shè)計

　　電源、復(fù)位和晶振電路設(shè)計

　　為了縮短開發(fā)周期 ，設(shè)計中由交流 220 V 轉(zhuǎn)直流 12 V 的部分由市場上的電源模塊來代替。雖然ATmega8L 可工作在 2. 7～5. 5 V 寬電壓 ，但是由于PTR6000 工作在 1. 9～3. 6 V ，超出這個電壓范圍就有被燒壞的可能 ，因此在用三端穩(wěn)壓管 7805 將 12 V轉(zhuǎn)換為 5 V 后 ，還要用 1117 將 5 V 的直流電轉(zhuǎn)換到3.3 V ，這樣 PTR6000 和 Atmega8L 都能正常工作。此外 ，為了適應(yīng)移動測試的需要 ，設(shè)計的電路上還配備了電池槽 ，以便用 2 節(jié)干電池為系統(tǒng)提供 3 V 直流電壓。

　　設(shè)計采用簡單的阻容復(fù)位電路 ，由于 ATmega8L是低電平復(fù)位 ，電源經(jīng) 1 K電阻和 22μF 電解電容接地 ， 復(fù) 位 線 從 電 阻 和 電 容 之 間 引 出 ， 接 到ATmega8L 的復(fù)位引腳。

　　為了獲得較高的振蕩頻率 ，設(shè)計采用了外接8 MHz晶體振蕩器。由于 AVR 單片機(jī)獨特的熔絲位設(shè)置 ，很容易造成單片機(jī)的鎖死現(xiàn)象 ，因此在設(shè)置有關(guān)時鐘的相關(guān)位時要格外小心。當(dāng)然 ，即便是鎖死了一般情況下還是可以通過外接有源晶振來解鎖 ，并重新燒寫正確的熔絲位。

　　鍵盤和顯示電路設(shè)計

　　設(shè)計的鍵盤采用 3 ×3 的矩陣式鍵盤 ，3 條行線接到 ATmega8L 的 PC3、PC4、PC5 ，3 條列線分別接到PC0、PC1、PC2 ，并且 3 條列線帶有上拉電阻。在每個上拉電阻的下面引出一條線 ，接到三輸入與門74HC11 的輸入口 ，然后輸出口接到單片機(jī)的外中斷1 引腳 ，這樣設(shè)置的目的是用中斷的方法來進(jìn)行鍵盤的掃描讀取。這一功能的實現(xiàn)主要還依靠軟件的設(shè)計 ，使得在有按鍵按下時 ，能夠通過 74HC11 產(chǎn)生一個中斷信號 ，通知單片機(jī)現(xiàn)在有鍵按下。然后單片機(jī)會進(jìn)入預(yù)先編寫好的鍵盤處理程序進(jìn)行鍵盤掃描 ，判斷鍵值 ，并執(zhí)行相應(yīng)的操作。

　　顯示電路使用 2 個 8 段數(shù)碼管 ，通過串轉(zhuǎn)并的動態(tài)顯示來實現(xiàn) ，并且通過 2 個 I/ O 口控制 2 個三極管來分別進(jìn)行驅(qū)動和控制。用 SPI 口進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)的串行輸出是一個比較方便的方法 ，但是考慮到PTR6000 通過單片機(jī) SPI 口接收數(shù)據(jù) ，有與顯示沖突的可能。因此 ，設(shè)計時利用了 PD1、PD4 兩個普通的 I/ O 口來分別作為數(shù)據(jù)線和時鐘線 ，模擬時序來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串轉(zhuǎn)并顯示。

　　軟件設(shè)計

　　主程序設(shè)計

　　設(shè)計采用的是匯編語言 ，內(nèi)存不能自動分配 ，在主程序的開始 ，首先對 ATmega8L 的堆棧指針進(jìn)行設(shè)置。在 I/ O 空間 ，地址為 3E （ 005E） 和 3D（ 005D）的 2 個 8 位寄存器構(gòu)成了一個 16 位寬的堆棧指針寄存器 SP ，單片機(jī)上電復(fù)位后 ，堆棧寄存器的初始值為 SPH = 00、SPL = 00。AVR 的堆棧是向下生長的 ，即新數(shù)據(jù)推入堆棧時 ，堆棧指針的數(shù)值將減小。所以系統(tǒng)程序一開始就對堆棧指針寄存器進(jìn)行了初始化 ， 將 SP 的 值 設(shè) 在 數(shù) 據(jù) 存 儲 器（SRAM） 空間的最高處。設(shè)置堆棧指針后的程序中 ，對各 I/ O 口的存儲器進(jìn)行配置 ，包括數(shù)據(jù)寄存器PORTx、數(shù)據(jù)方向寄存器 DDRx 。

　　隨后的初始化設(shè)置中 ，對外中斷的觸發(fā)方式進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。最初設(shè)計采用的是低電平觸發(fā)方式 ，但是由于低電平容易造成重復(fù)觸發(fā) ，造成鍵值讀取錯誤 ，因此在后續(xù)的程序設(shè)計中將其改成了下跳沿觸發(fā) ，這樣只要鍵盤消抖工作做好 ，就能解決重復(fù)觸發(fā)的問題。

　　在點對點和點對多點的短距離通信中 ，每一方隨時 都 有 發(fā) 送 數(shù) 據(jù) 的 可 能 ， 所 以 在 主 程 序 的PTR6000 初始化部分中設(shè)置為接收方式 ，并對其相關(guān)地址通道進(jìn)行了開通和自動應(yīng)答設(shè)置 ，并配置了其地址的的長度且按指定長度對地址進(jìn)行了配置。在主程序中還設(shè)置了 PTR6000 的中斷允許標(biāo)志位 ，當(dāng)有數(shù)據(jù)接收中斷、發(fā)送完成中斷、最大發(fā)送次數(shù)中斷產(chǎn)生時 ，在 PTR6000 的 IRQ 引腳產(chǎn)生一個低電平 ，觸發(fā)單片機(jī)外中斷 0 ，進(jìn)行相應(yīng)的處理。

　　鍵盤程序設(shè)計

　　由硬件電路設(shè)計可知 ，鍵盤程序是放在中斷服務(wù)程序中的 ，而且是下降沿觸發(fā)中斷 ，這一點有關(guān)的I/ O 口設(shè)置和寄存器有關(guān)位設(shè)置在主程序中完成 ，在此不再作具體說明。在外中斷 1 服務(wù)程序的開始 ，首先對鍵盤延時消抖 ，判斷是否真的有鍵按下 ，如果判斷確實有鍵按下則向下執(zhí)行鍵值判斷程序 ，否則 ，判定為錯誤中斷 ，中斷返回。

　　該部分鍵盤判斷程序是通過線反轉(zhuǎn)法完成的 ，首先 3 行送高電平 ，3 列送低電平 ，延時一個時鐘周期后 ，讀取管腳電平（PINC） ，并且對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存 ;然后 3 列送高電平 ，3 行送低電平 ，延時一個時鐘周期后 ，讀取管腳電平（PINC） ，并且對讀取的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。然后兩次讀到的數(shù)據(jù)只保留低 6 位 ，高位全部清零 ，因為鍵盤只用到了低 6 位。然后再把 2 個鍵進(jìn)行位或 ，得到一個數(shù)值 ，通過對這個數(shù)值的判斷來判定是哪一個鍵按下了。

　　顯示程序設(shè)計

　　顯示程序設(shè)計總的思想是首先串行傳送轉(zhuǎn)換后的十位顯示數(shù)碼 ，然后選通十位 ，再進(jìn)行適當(dāng)延時后關(guān)閉。再串行傳送轉(zhuǎn)換后的個位顯示數(shù)碼 ，然后選通個位 ，進(jìn)行適當(dāng)延時后關(guān)閉。

　　具體串行顯示是這樣實現(xiàn)的 ：首先把要顯示碼寄存器進(jìn)行帶進(jìn)位移位 ，然后判斷進(jìn)位標(biāo)志位 C 來向串行數(shù)據(jù)輸出口送 0 或 1 ，進(jìn)行適當(dāng)延時后 ，向串行時鐘口送低電平 ，適當(dāng)延時后送高電平 ，目的是產(chǎn)生一個上跳沿 ， 把串行數(shù)據(jù)口的電平狀態(tài)移入74HC164。這樣連續(xù)傳送 8 次 ，就將 8 位顯示碼送出。

　　PTR6000 通信程序設(shè)計

　　由于與 RF 協(xié)議相關(guān)的高速信號處理部分已經(jīng)嵌入在模塊內(nèi)部 ，PTR6000 可與各種低成本單片機(jī)配合使用 ，也可以與 DSP 等高速處理器配合使用。此系統(tǒng)中 PTR6000 可以進(jìn)行半雙工通信 ，所有通信基點都初始化為接收模式 ，等待命令。當(dāng)收到數(shù)據(jù)后 ，進(jìn)行相應(yīng)的操作。并且同樣可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送 ，在數(shù)據(jù)發(fā)送完成后又立即轉(zhuǎn)換成接收狀態(tài) ，等待再次有數(shù)據(jù)的到來。PTR6000 有 6 種工作模式如表 1所示 ，其中 PWR UP 和 PRIM RX 是模塊寄存器參數(shù)。

　　接收程序設(shè)計

　　接收程序編寫流程主要是在初始化的過程中 ，把本機(jī)設(shè)置成接收狀態(tài) ，這部分主要是在主程序的初始化配置的過程中完成的。具體的程序流程如下：

　　①設(shè)置 PTR6000 的配置寄存器 ，把 PTR6000 配置成允許數(shù)據(jù)接收完成中斷、數(shù)據(jù)發(fā)送完成中斷和最大發(fā)送次數(shù)到中斷 3 個中斷 ，當(dāng)有以上 3 種中斷中的任何一個產(chǎn)生時 PTR6000 的 IRQAM 引腳都產(chǎn)生一個低電平 ;

　?、诮o EN RXADDR 接收地址允許寄存器送數(shù)01 只開通數(shù)據(jù)通道 0 ;并且通過給 EN AA 送數(shù)01 允許數(shù)據(jù)通道 0 自動應(yīng)答允許 ;

　?、弁ㄟ^對 SETUP AW 配置 ，設(shè)置地址的長度為 3 個字節(jié) ;并且在對數(shù)據(jù)通道 0 的地址寄存器RX ADDR P0 的 配 置 過 程 中 把 地 址 配 置 為000000 ，在 隨 后 的 設(shè) 置 中 把 數(shù) 據(jù) 速 率 設(shè) 置 為2 Mbps;

　　④對接收緩沖寄存器清空 ，確保其能進(jìn)入接收狀態(tài)。最后 CE 送高電平 ，進(jìn)入接收狀態(tài)。

　　發(fā)送程序設(shè)計

　　當(dāng)有鍵按下時就要啟動相應(yīng)的發(fā)送程序 ，發(fā)送子程序是在外中斷 0 中被調(diào)用的。具體的程序流程如下 ：

　?、貾TR6000 的發(fā)送緩沖寄存器進(jìn)行清空操作 ;

　　②程序中接收結(jié)點地址 （RX ADDR） 、最大發(fā)送次數(shù)（ARC） 和有效數(shù)據(jù) （TX PLD） 通過 SPI 接口寫入 PTR6000 ，在寫入過程中對 SPI 中斷標(biāo)志位進(jìn)行監(jiān)測 ，如果數(shù)據(jù)傳送沒有完成保持 CSN 為低 ;

　?、叟渲眉拇嫫?PRIM RX 位設(shè)為低 ，把標(biāo)志寄存器 r1 和數(shù)據(jù)寄存器 r19 的數(shù)據(jù)不斷寫入 PTR6000的發(fā)送緩沖寄存器 ;

　　④設(shè)置 CE 為高 ，啟動發(fā)射。CE 高電平持續(xù)時間最小為 10μs。若啟用了自動應(yīng)答模式 ，模塊立即進(jìn)入接收模式。

　　PTR6000 中斷服務(wù)程序設(shè)計

　　PTR6000 的 3 種類型的中斷都是通過 INT0 觸發(fā)的 ，所以在程序的開始要對中斷的具體來源進(jìn)行判斷。PTR6000 中有一個狀態(tài)寄存器 （STATUS） ，其中包括 3 種中斷的標(biāo)志位。在中斷服務(wù)程序的開始首先向 PTR6000 發(fā)送一個空操作指令 ，此時返回單片機(jī) SPI 數(shù)據(jù)寄存器 SPDR 的數(shù)據(jù)就是當(dāng)前狀態(tài)寄存器的數(shù)值。接下來對其 3 個中斷標(biāo)志位進(jìn)行判斷 ，判斷是接收完成中斷、發(fā)送完成中斷還是最大發(fā)送次數(shù)到中斷 ，然后跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的服務(wù)程序部分。

　　實驗仿真

　　基于以上設(shè)計方案 ，對系統(tǒng)進(jìn)行了實驗仿真。在搭建相關(guān)硬件平臺的基礎(chǔ)上 ，通過對相關(guān)軟件程序的調(diào)試 ，系統(tǒng)很好地實現(xiàn)了點對點的無線通信 ，實驗證實 ，基于 nRF24L01 的 2. 4 GHz 無線通信系統(tǒng)解決方案 ，可以實現(xiàn)小于 10 m 的短距離通信。此外還在 2 臺計算機(jī)之間進(jìn)行了不同格式、不同大小的文件的傳輸實驗 ，其傳輸速率約為 512 kB/ S，具體結(jié)果

　　如表 2 所示。通過提高單片機(jī)的晶振還可以加快文件的傳輸速度 ，最快可以達(dá)到 2 Mb/ s。

　　2. 4 GHz 無線通信是一項新興的短距離無線通信解決方案 ，主要面向的應(yīng)用領(lǐng)域是低速率無線個人區(qū)域網(wǎng) ，典型特征是近距離、低功耗、低成本 ，主要適用于小型廉價設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制。該文提出一種基于 2. 4 GHz 無線收發(fā)芯片 nRF24L01 的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計方法 ，在實際應(yīng)用時將系統(tǒng)作為一個模塊可方便地移植 ，以便構(gòu)建更為復(fù)雜的無線通信網(wǎng)絡(luò) ，可應(yīng)用于無線抄表、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、安全防火系統(tǒng)以及水文氣象監(jiān)控等領(lǐng)域 ，具有很高的實用價值。