基于NRF24L01的無線通信系統(tǒng)

1、 濱江學(xué)院濱江學(xué)院 課程論文課程論文 題題 目目 基于 NRF24L01 的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專專 業(yè)業(yè)_ 通通 信信 工工 程程_ 學(xué)生姓名學(xué)生姓名_金金 建建 超超_ 學(xué)學(xué) 號號_20092334022_ 二二 一二一二 年年 十二十二 月月 二二十九十九 日日 基于基于 nRF24L01nRF24L01 的的 2 24 GHz4 GHz 無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘要摘要：提出一種基于NORDIC公司生產(chǎn)的24 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(jì)方法。介紹了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案和硬件選型，該系統(tǒng)以ATmega8L為控制核心，PTR6000為無線傳輸模塊；詳細(xì)

2、描述了硬件電路和軟件程序設(shè)計(jì)方法，其中軟件設(shè)計(jì)包括單片機(jī)主程序設(shè)計(jì)和PTR6000通信程序設(shè)計(jì)等；在硬件和軟件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，通過實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證了系統(tǒng)的正確性和可靠性，為系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用提供了依據(jù)，最終達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：nRF24L01；ATmega8L；無線通信 引言引言 2 4 GHz頻段是全球開放的ISM頻段， 使用者無需申請?jiān)S可證， 給開發(fā)者和用戶帶來了很大方便； 同時(shí)2 4 GHz無線射頻技術(shù)采用專用的數(shù)據(jù)通道，并且搭載有跳頻技術(shù)和數(shù)據(jù)加密，出現(xiàn)相似頻段的可能性大大降低，從而減少了信號之間的干擾，保證了傳輸?shù)姆€(wěn)定性。因?yàn)榫哂羞@些優(yōu)點(diǎn)，藍(lán)牙，ZigBee，WiFi等短距離無線數(shù)

3、據(jù)通信均工作在24 GHz ISM頻段。在一般應(yīng)用場合，以上這些技術(shù)顯得過于復(fù)雜，其成本也過高，很難滿足快速開發(fā)和低成本的要求。因此，目前迫切需要一種低成本、低功耗、能夠快速開發(fā)應(yīng)用的方案，來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無線連接。該文提出一種利用工作頻率為24 GHz的無線收發(fā)芯片nRF24L01，進(jìn)行短距離的點(diǎn)對點(diǎn)的無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。 1 1實(shí)現(xiàn)方案及硬件選型實(shí)現(xiàn)方案及硬件選型 1 11 1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案 系統(tǒng)的目的是在單片機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，硬件電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。 圖1硬件電路結(jié)構(gòu) 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

4、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(shí)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)。 1 12 2硬件選型硬件選型 設(shè)計(jì)采用低成本、性能好的NORDIC公司生產(chǎn)的nRF24I_I)l芯片來完成。nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作在全球開放的24 GHz頻段，有多達(dá)125個(gè)頻道可供選擇；可通過SH寫人數(shù)據(jù)，并且有自動(dòng)應(yīng)答和自動(dòng)再發(fā)射功能；芯片功耗非常低，以一6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9 mA，接收時(shí)工作電流只有123 mA；多種低功率工作模式使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便，并且市場上有

5、不少以它為核心的模塊，便于購買。PTR6000就是以nRF24I)l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(shí)設(shè)置6路接收通道地址，特別方便點(diǎn)對多點(diǎn)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SP接口發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；中斷輸出接I=IIRQAM可提供如下3種中斷輸出：發(fā)送完成中斷TXDR、接收完成中斷RX DR、最大發(fā)送次數(shù)到MAXRT。由于PTR6000的工作電壓為1936 V，AVR系列

6、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(diǎn)要求；考慮到顯示部分使用串行方式，所使用的IO口不是很多，ATmega8L足以滿足要求，為了降低設(shè)計(jì)成本，控制芯片選擇ATmega8L。 2.2.硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì) 2 21 1電源、復(fù)位和晶振電路設(shè)計(jì)電源、復(fù)位和晶振電路設(shè)計(jì) 為了縮短開發(fā)周期，設(shè)計(jì)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2755 V寬電壓，但是由于PTR6000工作在1936 V，超出這個(gè)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33 V，

7、這樣PTR6000和Atmega8L都能正常工作。此外，為了適應(yīng)移動(dòng)測試的需要，設(shè)計(jì)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(jì)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22心電解電容接地，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(jì)采用了外接8 MHz晶體振蕩器。由于AVR單片機(jī)獨(dú)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(shí)鐘的相關(guān)位時(shí)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。 2 22 2鍵盤和顯示電路設(shè)計(jì)鍵盤和顯示電

8、路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的鍵盤采用3 X 3的矩陣式鍵盤，3條行線接到ATmega8L的PC3、PCA、PC5，3條列線分別接到PC0、PCI、PC2，并且3條列線帶有上拉電阻。在每個(gè)上拉電阻的下面引出一條線，接到三輸入與門74HCll的輸人口，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(shí)現(xiàn)主要還依靠軟件的設(shè)計(jì)，使得在有按鍵按下時(shí)，能夠通過74HCll產(chǎn)生一個(gè)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(gè)8段數(shù)碼管，通過串轉(zhuǎn)并的動(dòng)態(tài)顯示來實(shí)現(xiàn)，并且通過2個(gè)IO口控制2

9、個(gè)三極管來分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)和控制。用SPI口進(jìn)行顯示數(shù)據(jù)的串行輸出是一個(gè)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(jì)時(shí)利用了PDl、PD4兩個(gè)普通的IO口來分別作為數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線，模擬時(shí)序來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串轉(zhuǎn)并顯示。 3 3 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 3 31 1主程序設(shè)計(jì)主程序設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)采用的是匯編語言，內(nèi)存不能自動(dòng)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IO空間，地址為$3E($005E)和$3D($005D)的2個(gè)8位寄存器構(gòu)成了一個(gè)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=

10、$00。AVR的堆棧是向下生長的，即新數(shù)據(jù)推入堆棧時(shí)，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I0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(jì)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(cuò)誤，因此在后續(xù)的程序設(shè)計(jì)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(diǎn)對點(diǎn)和點(diǎn)對多點(diǎn)的短距離通信中，每一方隨時(shí)都有發(fā)送數(shù)據(jù)的可能，所以在主程序的PTR600

11、0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(dòng)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(shí)，在PTR6000的IRQ引腳產(chǎn)生一個(gè)低電平，觸發(fā)單片機(jī)外中斷0，進(jìn)行相應(yīng)的處理。 3 32 2鍵盤程序設(shè)計(jì)鍵盤程序設(shè)計(jì) 由硬件電路設(shè)計(jì)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(diǎn)有關(guān)的IO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(shí)消抖，判斷是否真的有鍵按下，如果判斷確實(shí)有鍵按下則向下執(zhí)行

12、鍵值判斷程序，否則，判定為錯(cuò)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(shí)一個(gè)時(shí)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(shí)一個(gè)時(shí)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?yàn)殒I盤只用到了低6位。然后再把2個(gè)鍵進(jìn)行位或，得到一個(gè)數(shù)值，通過對這個(gè)數(shù)值的判斷來判定是哪一個(gè)鍵按下了。 3 33 3顯示程序設(shè)計(jì)顯示程序設(shè)計(jì) 顯示程序設(shè)計(jì)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(shí)后關(guān)閉。再串行傳送轉(zhuǎn)換后的個(gè)位

13、顯示數(shù)碼，然后選通個(gè)位，進(jìn)行適當(dāng)延時(shí)后關(guān)閉。具體串行顯示是這樣實(shí)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(shí)后，向串行時(shí)鐘口送低電平，適當(dāng)延時(shí)后送高電平，目的是產(chǎn)生一個(gè)上跳沿，把串行數(shù)據(jù)口的電平狀態(tài)移入74HCl64。這樣連續(xù)傳送8次，就將8位顯示碼送出 3 34 4 PTPTR6000R6000通信程序設(shè)計(jì)通信程序設(shè)計(jì) 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(diǎn)都初始化為接收模式，等待命令

14、。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PWRUP和PRIMRX是模塊寄存器參數(shù)。 3 34 41 1接收程序設(shè)計(jì)接收程序設(shè)計(jì) 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：設(shè)置PTR6000的配置寄存器，把門R6000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(gè)中斷，當(dāng)有以上3種中斷中的任何一個(gè)產(chǎn)生時(shí)PTR6000的IRQAM引腳都產(chǎn)生一個(gè)低電平；給EN RXAD

15、DR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從送數(shù)$01允許數(shù)據(jù)通道0自動(dòng)應(yīng)答允許；通過對SETUP AW配置，設(shè)置地址的長度為3個(gè)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；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)。 3 34 42 2發(fā)送程序設(shè)計(jì)發(fā)送程序設(shè)計(jì) 當(dāng)有鍵按下時(shí)就要啟動(dòng)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：PTR6000的發(fā)送緩沖寄存器進(jìn)行清空操作；程序中接收結(jié)點(diǎn)地址(RX ADDR)、最大發(fā)送次數(shù)(

16、ARC)和有效數(shù)據(jù)(TXP皿)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；配置寄存器PRIMRX位設(shè)為低，把標(biāo)志寄存器rl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；設(shè)置CE為高，啟動(dòng)發(fā)射。CE高電平持續(xù)時(shí)間最小為10肚s。若啟用了自動(dòng)應(yīng)答模式，模塊立即進(jìn)入接收模式。 3 35 PTR60005 PTR6000中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì) 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(gè)狀態(tài)寄存器(STATUS)，其中包括3種中

17、斷的標(biāo)志位。在中斷服務(wù)程序的開始首先向FrR6000發(fā)送一個(gè)空操作指令，此時(shí)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(gè)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。 4 4實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)仿真 基于以上設(shè)計(jì)方案， 對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對點(diǎn)的無線通信，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，基于nRF24L01的24 GHz無線通信系統(tǒng)解決方案，可以實(shí)現(xiàn)小于10 m的短距離通信。此外還在2臺計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行了不同格式、不同大小的文件的傳輸實(shí)驗(yàn)，其傳輸速率約為512 kBS，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 Mbs。 表2 24 GI-Iz無線通信系統(tǒng)文件傳輸速率對照表 5 5結(jié)束語結(jié)束語 24 GHz無線通信是一項(xiàng)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(gè)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(jià)設(shè)備的