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隨著(zhù)微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，高性能MCU廣泛地運用在嵌入式系統中，完成數據的采集、分析、處理與通訊功能。有線(xiàn)模式下的數據通訊系統，由于受時(shí)空、環(huán)境等因素的制約，不能完全滿(mǎn)足所有條件下任務(wù)的執行，而通過(guò)無(wú)線(xiàn)數據傳輸方式代替有線(xiàn)數據傳輸，則能很好地解決此類(lèi)問(wèn)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(wú)線(xiàn)通信系統的解決方案，穩定可靠地實(shí)現數據傳輸，滿(mǎn)足各種條件的需要。 1 系統硬件設計 1.1 nRF24L01無(wú)線(xiàn)通訊模塊介紹 系統選用云佳科技的nRF24L01無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)模塊來(lái)實(shí)現子母機間的通訊，它使用Nordic公司的nRF24L01芯片開(kāi)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(wú)線(xiàn)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。待機模式下電流消22μA，掉電模式電流消耗僅為900 nA。 (3)無(wú)線(xiàn)速率達到2 Mbit·s-1，SPI接口速率為0～8 Mbit·s-1，具自動(dòng)應答機制，極大地降低丟包率。 (4)擁有自動(dòng)重發(fā)功能、地址及CRC校驗功能。 (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(jiǎn)介 STC12L5608AD型MCU是宏晶科技新一代低電壓增強型8051單片機，該系列單片機具有如下特性：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轉換器等;加密性強，無(wú)法解密;超強抗干擾、高抗靜電、輕松過(guò)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 2 系統軟件設計 2.1 數據包處理方式 將nRF24L01配置成增強型ShockBurst模式，使得雙向鏈接協(xié)議執行更為簡(jiǎn)易有效。發(fā)送方要求終端設備在接收數據后有應答信號，以便發(fā)送方檢測有無(wú)數據丟失。一旦數據丟失則通過(guò)重新發(fā)送功能將丟失的數據恢復。它可以同時(shí)控制應答及重發(fā)功能而無(wú)需增加MCU工作量。nR F24L01配置為增強型的ShockBurst發(fā)送模式下時(shí)，只要MCU有數據要發(fā)送，nRF24L01就會(huì )啟動(dòng)ShockBurst模式來(lái)發(fā)送數據。在發(fā)送完數據后nRF24L01轉到接收模式并等待終端的應答信號。如未收到應答信號，nRF24L01將重發(fā)相同的數據包，直到收到應答信號或重發(fā)次數超過(guò)SETUP _RETR_ARC寄存器中設置的值為止。如果重發(fā)次數超過(guò)了設定值，則產(chǎn)生MAX_RT中斷。只要收到確認信號，nRF24L01就認為最后一包數據已經(jīng)發(fā)送成功，把TX FIFO中的數據清除掉并產(chǎn)生TX_DS中斷，IRQ引腳置高。 nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的數據，如圖3所示。每個(gè)數據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設置為發(fā)送模式后，可以與同一個(gè)設置為接收模式的nRF24L01進(jìn)行通訊，而設置為接收模式的nRF24L01可以對這6個(gè)發(fā)射端進(jìn)行識別。n RF24L01在確認收到數據后記錄地址，并以此地址為目標地址發(fā)送應答信號。在發(fā)送端，數據通道0被用作接收應答信號。 2.2 系統軟件設計流程 圖4為子模塊和主模塊程序設計流程圖，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為KeilC uVision3。 程序基本思路為子模塊配置為接收狀態(tài)，如成功接收到數據則進(jìn)行EEPROM子程序操作，否則切換成發(fā)射模式，成功發(fā)送并接收到應答信號后再變成接收模式，進(jìn)入下一次接收發(fā)射循環(huán);主模塊設置為接收數據信息狀態(tài)，能與多路處于發(fā)射狀態(tài)的數據通道進(jìn)行通訊，并從接收到的數據中判別數據通道口;接收信息后自動(dòng)回復應答信號。通過(guò)切換接收發(fā)射狀態(tài)實(shí)現多點(diǎn)對單點(diǎn)的雙向無(wú)線(xiàn)數據通訊。 2.2.1 nRF24L01初始化程序 nRF24L01初始化程序包括引腳初始化和中斷初始化。引腳初始化使芯片工作在待機模式下(CE=0)，時(shí)鐘設置SCK低電平，片選不使能(CSN=1)，工作在串行輸入狀態(tài)(MOSI=0);中斷初始化則使能外部中斷(EX1=1)，低電平觸發(fā)。 2.2.2 nRF24L01配置接收/發(fā)射模式 對芯片內部的特殊功能寄存器進(jìn)行初始化操作。 通過(guò)對CONFID配置設定其工作模式，設置接收地址，接收有效數據寬度、選擇射頻通道、數據傳輸率、發(fā)射功率等參數。配置完成后，置高CE，準備接收數據包，如表1所示。 2.2.3 單片機內部EEPROM應用子程序 單片機內部EEPROM應用子程序進(jìn)行扇區的擦除、寫(xiě)入以及讀出功能，實(shí)現系統信息的讀取保存。 STC12L5608AD單片機內部有8個(gè)扇區，每個(gè)扇區512 Byte。在使用時(shí)，統一修改的數據放在同一個(gè)扇區。使用ISP/IAP功能，所使用的特殊功能寄存器為ISP_DATA、ISP_ADDRH、ISP_ADDRL、ISP_CMD、ISP_TRIG、ISP_CONTR。扇區寫(xiě)入數據流程圖如圖5所示，扇區擦除以及讀操作流程與之類(lèi)似。 3 結束語(yǔ) 介紹了利用高性能MCU和nRF24L01芯片設計的網(wǎng)絡(luò )化無(wú)線(xiàn)通訊系統，說(shuō)明了其軟硬件設計要點(diǎn)。該系統已應用于某故障監測系統中，系統成本低、體積小、傳輸速率高、具有良好的通用性和可靠性，可供無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統參考。 |
