单片机的无线数传系统设计

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    在特殊环境的数据测控应用中，无线数据传输已经越来越广泛地被运用，MSP430+nRF905的组合特别适合于低功耗，短距离（100-200m）、小数据量的无线数传系统，MSP430 CPU在低功耗应用方面有很大优势，nRF905无线收发芯片具有功耗低、控制简单、可自动处理字头和CRC校验的优点，两者结合组成的数传系统可以在很多产品中得到应用。

       1 MSP430简介

       MSP430是TI公司新推出的16位系列单片机，在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势，其工作电压在1.8-3.6V之间，正常工作时功耗可控制在200μA左右，低功耗模式使可实现2μA甚至0.1μA的低功耗，MSP430具有非常高的集成度，通常在单个芯片上集成有12位的A/D、比较器、多个定时器，片内USART、看门狗、片内振荡器、大量的I/O端口及大容量的片内存储器，一般单片就可以满足大多数的应用需要。

       在低功耗应用中设计程序时，最好采用以下方法：CPU在初始化完成后，处于低功耗工作模式，在有外部事件发生时唤醒进入终端服务程序，完成后重新进入低功耗模式，照此循环往复，可以最大限度地降低功耗。

       2 nRF905简介

       nRF905是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1.9-3.6V，32引脚QFN封装（5mm×5mm），工作于433/868/915MHz3个ISM频道（可以免费使用）。nRF905可以自动完成处理字头和CRT（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，在接收模式时电流为12.5mA。

       nRF905传输数据时为非实时方式，即发送端发出数据，接收端收到后先暂存于芯片存储器内，外面的MCU可以在需要时再到芯片中去取。nRF905一次的数据传输量最多为32B。

       2.1 nRF905的工作模式及设置

       nRF905的两种工作模式和两种节能模式，分别为掉电模式、待机模式、ShockBurst TM接收模式和ShockBurst TM发送模式，这几种模式由外界CPU通过控制nRF905的3个引脚PWR_UP、trX_CE和TX_EN的高低电平来决定，如表1所列。




       外界MCU通过SPI总线配置nRF905的内部寄存器，读写数据时必须把其置为待机或掉电模式，nRF905在待机模式时功耗为40μA，在掉电模式时功耗为2.5μA。

       2.2 nRF905的状态输出

       nRF905有3个引脚用于状态输出，分别是：CD（载波检测）、AM（地址匹配）和DR（数据就绪），均为高电平有效，nRF905在处于接收模式时，若检测到接收频率段的载波，就置CD为高，接着检测载波数据中的地址字节，若与本身已配置的接收地址相同，则置AM为高，若再检测到接收数据中的CRC校验正确，则存储有效数据字节，置DR为高。

       此外，nRF905还有一个时钟输出引脚uPCLH，供用户选择使用。通过配置内部寄存器，可改变其频率输出，这一点在调试时很有用。无线系统至少需要一发一收两个设备，调试时若出现问题很难判断是哪一方的故障。可以通过修改nRF905的寄存器，用示波器观察uPCLK输出是否变化的方法，来判断其硬件电路和CPU操作，nRF905的程序是否正确，从而判断及设备是否工作正常。

       2.3 nRF905的数据接口

       外围MCU通过SPI总线配置nRF905的内部寄存器和 收发数据，nRF905的SPI总线包括4个引脚：CSN（SPI使能）、SCK（SPI时钟）、MISO（主入从出）和MOSI（主出从入）。这里nRF905为从机，其SPI的时钟范围很宽，可以从1Hz-10MHz，因此MCU在写控制程序时不必苛求时间的准确度。

       SPI总线的每次操作都必须在使能引脚CSN的下降沿开始，CSN低电平有效，总线上的数据在时钟的上升沿有效，MCU对SPI总线的操作不外乎两种方式：读和写，在进行读操作时，先把CSN置低，然后在MOSI数据线上输出一个表示读命令的字节，与此同时，nRF905会在MISO数据线上输出一字节表示状态信息的数据，随后输出一地址字节，后面跟随有效数据，在进行写操作时比较简单，MCU先把CSN拉低，然后在MOSI线上输出写命令字节和数据字节即可。

       2.4 nRF905的寄存器配置

       nRF905内部有5类寄存器：一是射频配置寄存器，共10个字节，包括中心频点、无线发送功率配置、接收灵敏度、收发数据的有效字节数、结社地址配置等重要信息；二是发送数据寄存器，共32字节，MCU要向外发的数据就需要写在这里，三是发送地址，共4个字节，一对收发设备要正常通信，就需要发送端的发送地址与接收端的接手地址配置相同，四是接收数据寄存器，共32字节，nRF905接收到的有效数据就存储在这些寄存器中，MCU可以在需要时到这里读取，五是状态寄存器，1个字节，含有地址匹配和数据就绪的信息，一般不用。

       MCU若要操作这些寄存器，需遵循nRF905规定的操作命令，常用的有以下7种，都是1个字节；写射频配置（0XH，“X”含4位二进制位，该字节表示要开始写的初始字节数）、读射频配置（1XH，“X”含4位二进制位，该字节表示要从哪个字节开始读）、写发送数据（20H），读发送数据（21H）、写发送地址（22H）、读发送地址（23H）和读接收数据（24H），关于寄存器的详细信息可以参阅nRF905的数据手册。

       2.5 nRF905的工作过程

       nRF905在正常工作前应由MCU先根据需要写好配置寄存器，或是按照默认配置工作，其后的工作主要是两个：发送数据和接收数据。

       发送数据时，MCU应先把nRF905置于待机模式（PWR_UP引脚为高、trX_CE引脚为低）然后通过SPI总线把发送地址和待发送的数据都写入相应的寄存器中，之后把nRF905置于发送模块（PWR_UP、trX_CE和TX_EN全置高）数据就会自动通过天线发送出去，若射频配置寄存器中的自动重发位（AUTO_REtrAN）设为有，数据包就会重复不断地一直向外发，直到MCU把trX_CE拉低，退出发送模式为止。为了数据更可靠地传输，建议多使用此种方式。

       接收数据时，MCU先在nRF905的待机模式中把射频配置寄存器中的接收地址写好，然后置其于接收模式（PWR_UP=1、trX_CE=1、TX_EN=0），nRF905就会自动接收空中的载波，若收到地址匹配的和校验正确的有效数据，DR引脚会自动置高，MCU在检测到这个信号后，可以改其为待机模式，通过SPI总线从接收数据寄存器中读出有效数据。

       3 系统硬件设计

       MSP430的USART模块可通过寄存器配置为通用异步串行口或SPI模块功能，这里配置为SPI模块，本系统选用的MCU是MSP430F133，在硬件设计时把MCU的SPI接口和nRF9051SPI接口相连即可，另外再选几个I/O口连接Nrf9051输出输出信号，如图1所示。




       对于初次接接触无线系统的设计者，因其射频部分的元件采购，焊接和调试比较麻烦，可以选用Ptr8000模块，该模块内核使用nRF905，硬件电路已经焊好，十月起来相对方便一些。

4 控制程序设计

       本系统设计的重点是控制nRF901的程序设计，大致分为两个阶段：首先是对nRF905进行初始配置，配置完成后按 需要便携书记的发送或接收程序。

       4.1 初始化配置

       第一阶段应完成初始化配置，分以下几项：

       1）MSP430的SPI接口设置，MSP4301异步串行接口和SPI接口用同一个USART模块，贼里需要用软件配置为SPI功能，本设计中SPI配置为主机模块、3线制和8位数据，程序源代码参见子程序“SPI_SET五”。




                                               
       
       2）初始化nRF901的射频配置寄存器，这些寄存器中有很多信息，必须根据实际情况进行配置，本设计中nRF905外界16MHz晶体，“XOF应配置为“011”；“PA_PWR”为发射功率，RX_RED_PWR”为接收命灵敏度，可根据需要配置；另外还有发送地址、接收地址、发送数据和结社数据的长度（字节数）可根据实际应用配置，注意贼组寄存器中海油接收时的实际地址，不而发送地址在其他单独的寄存器中。

       3）配制nRF901的发送地址，最多4个字节（32位），发送端的发送地址应于接受端设备的结社地址相同，在实际工作中nRF901可以自动滤滤除地址不相同的数据，只有地址匹配且校验正确的数据彩绘被接受，并存储在接收数据寄存器中。

       4.2 发送数据

       使nRF905发送数据前需要MSP430通过SPI总线在待机模式便板待法数据填进发送数据寄存器中，一次最多32B，然而把nRF9051“trX_CE”、“TX_EN” 因该都置为高电平，数据就会自动发送出去，本设计射频配置寄存器中选定了自动重发位，因此在“trX_CE”被置高的时间内数据一直在重复不断地发。本程序中设计延时500ms，之后拉低“tr X_CE”因该，回到待机模式。

       4.3 接收数据

       MSP430把nRF905的“trX_CE”引脚置为高电平，“TX_CE引脚拉为低电平后就刻蚀结社数据，本设计中CPU在设定的35s内一直判断Nrf9051“DR”引脚是否便变高个，若为高则证明接收到了有效数据，可以退出接收模式，弱一致没有接受2到，待时间到时也退出接接受是模块，退出后在待机模块，CPU通过SPI总线把NRF905内部的接收数据寄存器中数据读出，即接收道德有效数据。

       便携接受部分程序时，有一点应该注意，很多资料中都没有提到，就是CPU在MOSI信号线上发出读命令字节后“MISO”信号线上nRF905会自动返回一字节数据，本本身的状态寄存器信息，后续的接收数据并不会自动跟着输出，只有CPU在MOSI上输出一个字节（可以是随意值），nRF905才会在“MISO”上返回一个字节，CPU再发，nRF905再满会，直到读完为止。
         
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