基于MCU和nRF24L01的无线通信系统设计

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随着微电子技术的迅速发展，高性能MCU广泛地运用在嵌入式系统中，完成数据的采集、分析、处理与通讯功能。有线模式下的数据通讯系统，由于受时空、环境等因素的制约，不能完全满足所有条件下任务的执行，而通过无线数据传输方式代替有线数据传输，则能很好地解决此类问题。综上论述，文中提出一种基于高性能MCU和nRF24L01的网络化无线通信系统的解决方案，稳定可靠地实现数据传输，满足各种条件的需要。
1 系统硬件设计
1．1 nRF24L01无线通讯模块介绍
系统选用云佳科技的nRF24L01无线射频收发模块来实现子母机间的通讯，它使用Nordic公司的nRF24L01芯片开发而成，是一款工作在2．4～2．5 GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片，其具有如下性能特点：
(1)低工作电源电压，且范围广1．9～3．6 V，体积小巧，能方便集成到各种电子器件。
(2)极低的功耗。当工作在发射模式下发射功率为-6 dBm时电流消耗为9 mA，接收模式时为12．3 mA。待机模式下电流消22μA，掉电模式电流消耗仅为900 nA。
(3)无线速率达到2 Mbit·s-1，SPI接口速率为0～8 Mbit·s-1，具自动应答机制，极大地降低丢包率。
(4)拥有自动重发功能、地址及CRC校验功能。
(5)具有125个可选工作频道，拥有很短的频道切换时间，可用于跳频。
nRF24L01引脚封装如图1所示。


1．2 STC12L5608AD芯片简介
STC12L5608AD型MCU是宏晶科技新一代低电压增强型8051单片机，该系列单片机具有如下特性：宽工作电压(2．1～3．6 V)；具有1个时钟／机器周期的高速性能，比普通8051快8～12倍，可用低频晶振；自带-8路10位AD转换器等；加密性强，无法解密；超强抗干扰、高抗静电、轻松过4 kV快速脉冲干扰(EFT测试)、宽温度范围(-40～85℃)；超低功耗，正常工作模式2．7～7 mA，空闲模式1．8mA，掉电模式功耗<0．1&mu;A；能在系统编程等。
1．3 硬件接口电路
nRF24L01通过SPI接口与外部单片机进行数据交换，CE作为片选端，它与CONFIG寄存器的PWR_UP和PRIM_RX位组合用于选择芯片的工作方式；CSN为芯片内部SPI硬件接口的使能端，低电平有效；SCK为SPI的时钟输入端，MOSI为SPI接口的数据输入端，MISO为SPI接口的数据输出端，IRQ为中断请求端，与单片机的外部中断1相连，当nRF24L01产生中断后IRQ将置低，单片机检测到此中断后通过程序得知其与nRF24L01无线射频模块的数据收发情况。通过单片机与无线通讯模块的硬件连接，从而实现模式控制和数据交换。图2给出两模块的硬件接口设计。整个无线通讯系统由3个模块组成。


2 系统软件设计
2．1 数据包处理方式
将nRF24L01配置成增强型ShockBurst模式，使得双向链接协议执行更为简易有效。发送方要求终端设备在接收数据后有应答信号，以便发送方检测有无数据丢失。一旦数据丢失则通过重新发送功能将丢失的数据恢复。它可以同时控制应答及重发功能而无需增加MCU工作量。nR F24L01配置为增强型的ShockBurst发送模式下时，只要MCU有数据要发送，nRF24L01就会启动ShockBurst模式来发送数据。在发送完数据后nRF24L01转到接收模式并等待终端的应答信号。如未收到应答信号，nRF24L01将重发相同的数据包，直到收到应答信号或重发次数超过SETUP _RETR_ARC寄存器中设置的值为止。如果重发次数超过了设定值，则产生MAX_RT中断。只要收到确认信号，nRF24L01就认为最后一包数据已经发送成功，把TX FIFO中的数据清除掉并产生TX_DS中断，IRQ引脚置高。


nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的数据，如图3所示。每个数据通道使用不同的地址，但共用相同的频道。即6个不同的nRF 24L01设置为发送模式后，可以与同一个设置为接收模式的nRF24L01进行通讯，而设置为接收模式的nRF24L01可以对这6个发射端进行识别。n RF24L01在确认收到数据后记录地址，并以此地址为目标地址发送应答信号。在发送端，数据通道0被用作接收应答信号。
2．2 系统软件设计流程
图4为子模块和主模块程序设计流程图，软件开发环境为KeilC uVision3。



程序基本思路为子模块配置为接收状态，如成功接收到数据则进行EEPROM子程序操作，否则切换成发射模式，成功发送并接收到应答信号后再变成接收模式，进入下一次接收发射循环；主模块设置为接收数据信息状态，能与多路处于发射状态的数据通道进行通讯，并从接收到的数据中判别数据通道口；接收信息后自动回复应答信号。通过切换接收发射状态实现多点对单点的双向无线数据通讯。
2．2．1 nRF24L01初始化程序
nRF24L01初始化程序包括引脚初始化和中断初始化。引脚初始化使芯片工作在待机模式下(CE=0)，时钟设置SCK低电平，片选不使能(CSN=1)，工作在串行输入状态(MOSI=0)；中断初始化则使能外部中断(EX1=1)，低电平触发。
2．2．2 nRF24L01配置接收／发射模式
对芯片内部的特殊功能寄存器进行初始化操作。
通过对CONFID配置设定其工作模式，设置接收地址，接收有效数据宽度、选择射频通道、数据传输率、发射功率等参数。配置完成后，置高CE，准备接收数据包，如表1所示。


2．2．3 单片机内部EEPROM应用子程序

单片机内部EEPROM应用子程序进行扇区的擦除、写入以及读出功能，实现系统信息的读取保存。


STC12L5608AD单片机内部有8个扇区，每个扇区512 Byte。在使用时，统一修改的数据放在同一个扇区。使用ISP／IAP功能，所使用的特殊功能寄存器为ISP_DATA、ISP_ADDRH、ISP_ADDRL、ISP_CMD、ISP_TRIG、ISP_CONTR。扇区写入数据流程图如图5所示，扇区擦除以及读操作流程与之类似。
3 结束语
介绍了利用高性能MCU和nRF24L01芯片设计的网络化无线通讯系统，说明了其软硬件设计要点。该系统已应用于某故障监测系统中，系统成本低、体积小、传输速率高、具有良好的通用性和可靠性，可供无线数据传输系统参考。