基于MCU和nRF24L01的无线通信系统设计 - 全文

　　近年来，随着无线技术的快速发展，短距离无线数据传输技术已经被广泛应用于日常生活中，逐渐形成一个巨大的新兴产业。常用的无线数据传输技术主要有蓝牙技术、Wi-Fi技术、IrDA技术、超宽带技术等，而蓝牙技术和Wi-Fi技术功耗较高，IrDA技术传输速率较低，超宽带技术开发难度较高

　　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。

　　无线通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波，它传送的距离一般只有几十千米。但微波的频带很宽，通信容量很大。微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站。卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。

　　系统硬件设计

　　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。

　　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《0.1μA;能在系统编程等。

　　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。

　　系统软件设计

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　Zigbee无线通信跟基于nRF24l01模块的无线通信有什么区别

　　无线通信可以使用某种通信协议如zigbee或者蓝牙什么的，也可以不使用这些规范的通信协议。 Zigbee无线通信大多是使用集成这种协议的RF芯片实现的； 基于nRF24l01模块的无线通信；由于nRF24l01射频芯片自身没有集成任何协议，所以基于nRF24l01模块的无线通信需要自定义通信协议来使用，控制的方式也有很多种。当然也可以使用nRF24l01模块，同时编程实现zigbee协议来控制它，实现一套基于nRF24l01模块的Zigbee无线通信系统。