基于NRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計

1、 中北大學電子與計算機科學技術學院畢業(yè)設計開題報告學 生 姓 名：王海瑞學 號：0706024225學 院、系：電子與計算機科學技術學院專 業(yè)：微電子學設 計 題 目：基于NRF24L01的IMU數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)設計指導教師:李 杰 2011年 1月 18日畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告1結合畢業(yè)設計情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，撰寫2000字左右的文獻綜述：文 獻 綜 述數(shù)據(jù)是指用來描述客觀事物的數(shù)字、字母、符號等等1，隨著科技的進步，人類社會已經(jīng)進入了數(shù)字化信息化的時代，因而數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量和速度都提出了更高的要求。針對目前信息化的狀況，原有的有線傳輸系統(tǒng)雖完成了數(shù)字化與網(wǎng)絡化，但復雜的布線、

2、高昂的維護成本使的網(wǎng)絡節(jié)點的分布范圍受到了很大的限制，這在很大程度上阻礙了數(shù)據(jù)傳輸信息化的深入與普及。因此，對于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨笕找嫫惹小?無線數(shù)據(jù)傳輸就是指利用無線電波作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，將本地計算機或其他設備的數(shù)據(jù)信息調(diào)制到載波頻率上發(fā)射，從而和遠程終端之間實現(xiàn)通訊的技術6。它涉及到計算機技術、信息技術、以及網(wǎng)絡技術等多個學科領域。通過無線傳輸系統(tǒng)，人們可以獲取遠端設備的運行情況以及各種參數(shù)指標，通過對采集到的數(shù)據(jù)的分析從而實現(xiàn)遠程管理、遠程控制等功能。近十幾年來，隨著移動通信技術飛速發(fā)展，越來越多的信息采集和遠程控制系統(tǒng)采用了無線數(shù)據(jù)傳送技術。與有線數(shù)據(jù)傳輸相比，無線數(shù)據(jù)傳輸布線成本低

3、、安裝簡便、便于移動的優(yōu)點，使其在遙控遙測、門禁系統(tǒng)、無線抄表、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、無線遙控系統(tǒng)、無線鼠標等領域都得到了廣泛的應用，而且它在高科技領域的應用也正在迅猛發(fā)展，比如衛(wèi)星、導彈、無人偵察機等的數(shù)據(jù)采集，遙控機器人等的控制，以及一些監(jiān)控設備等。此外，在現(xiàn)代軍事通訊領域方面，無線傳輸技術也有重要的戰(zhàn)略地位。在未來高科技戰(zhàn)斗中，由于軍事衛(wèi)星通訊手段在未來戰(zhàn)爭中容易被摧毀且難以緊急恢復，所以人們可以利用無線短波、超短波等方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)是無線傳輸，因而取得戰(zhàn)爭中的主動權8。民用方面，在一些線路架設比較困難的地方，或者有天然的阻隔的地理條件較復雜較惡劣的地方數(shù)據(jù)的無線傳輸便顯示出了巨大威力。無

4、線傳輸還便于通訊設備移動，具有明顯的靈活性。進入二十一世紀，無線數(shù)據(jù)通訊技術在我國蓬勃發(fā)展，也得到了信息產(chǎn)業(yè)部以及各行各業(yè)的高度重視，因為任何有線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡只能是網(wǎng)狀覆蓋，而無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)可達到真正的面覆蓋。目前主要的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸技術主要有藍牙、Zigbee、IEEE802.11x、微功率短距離無線通訊技術10，與已具備相當規(guī)模的無線長距離通訊網(wǎng)絡（比如蜂窩移動通訊網(wǎng)、衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊）相比，短距離無線通訊系統(tǒng)在基本結構、服務范圍、應用層次以及通訊業(yè)務（數(shù)據(jù)、話音）上，均有很大不同。下面分別介紹這幾種無線傳輸技術。藍牙技術（Bluetooth）主要面對網(wǎng)絡中的各種數(shù)據(jù)和語言設備，通過無線方

5、式將它們連接起來，從而方便快速的實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，它使用，最大傳輸率1Mbit/s ；IEEE802.11x的技術標準是無線局域網(wǎng)的國際標準，也是用，協(xié)議主要在OSI的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，雖然傳輸速度快，但此類設備比較昂貴，技術復雜；Zigbee是一種新型的短距離、低速度、低功耗無線網(wǎng)絡技術，是一種介于無線標記技術和藍牙之間的技術，基于IEEE無線個人區(qū)域網(wǎng)標準，數(shù)據(jù)傳輸速率通常為10kb/s到250kb/s，有效覆蓋范圍10到75米，由于其協(xié)議簡單、成本低、網(wǎng)絡容量大等優(yōu)點，使其在無線傳感網(wǎng)絡中得到廣泛的應用。在未來，短距離無線數(shù)據(jù)傳輸將向著更高傳輸速率、更高傳輸精確度的方向發(fā)展，而且傳輸設備的

6、成本也會進一步降低，傳輸協(xié)議也會進一步簡單，從而是短距離無線通訊走入我們的生活，給我?guī)砀喾奖恪?本次課題研究的內(nèi)容是通過C8051F020單片機控制無線數(shù)據(jù)傳輸芯片NRF24L01，以此來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，無論是在國防軍事方面，還是民用通訊方面都有很重要的研究意義。 慣性測試單元（IMU）具有的特點是實時性，因為零偏會隨著時間的變化而變化，必須隨時進行跟蹤 。當系統(tǒng)裝入彈體后，必須通過無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將系統(tǒng)實時的零偏、標度因數(shù)等參數(shù)隨時發(fā)送到地面，這樣可以得到實時的數(shù)據(jù)，進行實時解算，得到解算的參數(shù)，從而可以對導彈的飛行姿態(tài)等各種參數(shù)進行實時的調(diào)整。所以，本課題通過單片機控制，將IMU采

7、集到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)短距離的無線傳輸，在測試領域具有重要的意義。 畢 業(yè) 設 計 開 題 報 告2本課題要研究或解決的問題和擬采用的研究手段（途徑）： 學習C8051F020單片機工作原理，用C語言編寫單片機程序，控制單片機采集IMU的輸出，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，傳輸給無線射頻模發(fā)射塊（NRF24L01無線傳輸芯片）。用同樣的原理設計無線接收模塊，將無線發(fā)射的數(shù)據(jù)接收，并通過串口傳送數(shù)據(jù)給上位機。方案介紹方案的整體設計思路通過單片機(C8051F020)將IMU單元輸出的六路模擬數(shù)據(jù)采集，再利用單片機內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換部分將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過SPI總線將數(shù)據(jù)傳輸給無線發(fā)送芯片(NRF24L

8、01) ,無線發(fā)送芯片將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。同樣，接收端單片機(C8051F020)通過SPI總線控制接收端芯片，將無線傳輸過來的數(shù)據(jù)接收，并將數(shù)據(jù)傳送給上位機，從而實現(xiàn)了對IMU數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、無線傳輸、以及存儲。 系統(tǒng)整體流程圖如圖1所示： 圖1. 整體設計流程圖2.2.2 數(shù)據(jù)采集模塊單片機C8051F020內(nèi)部有實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換所需要的ADC和DAC，其中ADC有兩個，一個是9通道12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，另一個是8通道8位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，轉(zhuǎn)換方式、速率等都可通過程序設置。從IMU采集到的6路傳感器數(shù)據(jù)是模擬信號，通過端口Ain0 Ain7被采集到單片機內(nèi)部，通過內(nèi)

9、部的AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換成8位精確度的數(shù)字信號，并將數(shù)據(jù)存儲到數(shù)據(jù)字寄存器中，等待進一步將其傳送到無線數(shù)據(jù)發(fā)送芯片內(nèi)部。 數(shù)據(jù)傳送輸模塊單片機C8051F020有三個串行口，其中SMbus是兼容于I2C串行擴展總線，還有SPI串行擴展接口，以及兩個增強型UART串口，它們可同時與外界進行串行數(shù)據(jù)的傳輸。本次課題研究采用是的是SPI串行外設接口，它是一個4線（MOSI、MISO、SCK、NSS）、全雙工串行總線，支持在同一總線上將多個從器件連接到一個主器件上，可以通過程序設計工作方式。通過編寫程序，將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號通過SPI串行外設接口傳送到無線數(shù)據(jù)發(fā)送芯片NRF24L01中。數(shù)據(jù)發(fā)送

10、模塊 無線射頻芯片NRF24L01的ISM頻段，具有高達2Mbps的傳輸速度，內(nèi)置CRC校驗和出錯重傳機制，在2Mbps的速度下，接收電流僅為12.3mA ，發(fā)送電流僅為11.3mA ，功耗很低。發(fā)送端單片機C8051F020可以通過編寫語言程序?qū)o線射頻芯片NRF24L01的參數(shù)進行設置，將其設置為發(fā)送模式，然后等待外部中斷的輸入，當中斷輸入，則控制芯片將數(shù)據(jù)發(fā)射接收模式，如果在有效應答時間內(nèi)收到應答信號，則認為數(shù)據(jù)成功發(fā)送到接收端，如果沒收到則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，若自動重發(fā)計數(shù)器ARC_RT溢出，則IRQ引腳產(chǎn)生中斷，通過寫狀態(tài)寄存器來復位。若收到應答信號，則認為數(shù)據(jù)成功發(fā)送到接收端，則繼續(xù)發(fā)送

11、TX FIFO寄存器中的下一包數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)接收模塊接收端單片機C8051F020可以通過輸入語言程序?qū)o線射頻芯片NRF24L01的參數(shù)就行設置，設為接收模式以接受檢驗信號。接收到檢驗信號后，NRF24L01的自動應答功能會發(fā)送應答信號給發(fā)送端已確認收到信號，接著NRF24L01通過IRQ 中斷通知接收端單片機，單片機進行數(shù)據(jù)接收并將其傳送給上位機。接收端的單片機在接收到中斷的同時，要同發(fā)射端芯片進行時間上的協(xié)同，以此來保證發(fā)送和接收的配合。最后清除NRF24L01的狀態(tài)寄存器，再次為下一次數(shù)據(jù)的接收做好準備。2.3 軟件設計模塊發(fā)射部分程序設計先編寫初始化程序，設置單片機的初始狀態(tài)，再寫AD轉(zhuǎn)

12、換程序，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后，編寫時序，從寄存器中讀出數(shù)據(jù)，發(fā)送給無線傳輸芯片，無線傳輸芯片便會自動將TX FIFO寄存器中的數(shù)據(jù)依次發(fā)送出去。程序流程圖如圖2所示：圖接收部分程序流程設計寫編寫程序，設置單片機寄存器的初始狀態(tài)，以及接收芯片的初始狀態(tài)，然后編寫接收程序，將接收芯片的RX FIFO寄存器中的數(shù)據(jù)讀出來，通過串口，傳送給上位機。程序流程圖如下： 參考文獻1 J，20002 LAWRENCE A. Modern inertial technologyM.New York:Springer-Verlag,3 CHATFIELD A B. Fundamentals of hig

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