基于nRF24L01和PIC16F877的无线数据传输系统设计

PCB88475579 2017-12-15 1868

无线通信

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描述

　　在工业控制现场，常常需要采集大量的现场数据，如温度、湿度、气压等，并将这些数据传输到主机进行处理，由主机根据处理的结果，将控制信号传输给现场执行模块进行各种操作。可以看出数据从采集设备到处理终端，监测控制指令从处理终端到采集设备，均需经过传输过程这一重要环节。当数据采集点处于运动状态，或者所处的环境不允许铺设电缆，采集设备必须与终端设备分离，此时只能通过无线方式进行数据传输。基于此，本文设计了一个无线数据传输系统，它应用Microchip公司的PIC16F877单片机控制Nordic公司的无线数字传输芯片nRF24L01 ，通过无线方式进行数据双向传输。实验结果证明：该系统使用灵活、成本低廉，可方便地嵌入到无线监测系统中。

　　nRF24L01芯片的介绍

　　nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM频段。工作电压为1.9～3.6 V，有多达125个频道可供选择。可通过SPI写入数据，最高可达10 Mb／s，数据传输率最快可达2 Mb／s，并且有自动应答和自动再发射功能。和上一代nRF2401相比，nRF2401数据传输率更快，数据写入速度更高，内嵌的功能更完备。

　　芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融进了增强式ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-6 dBm的功率发射时，工作电流只有9 mA，接收时工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。

　　系统总体结构设计

　　 nRF24L01

　　图1为系统设计总体框图。此无线数据传输系统主控制芯片采用Microchip公司的PIC16F877微处理器，它负责控制无线芯片L01，实现数据的无线传输。为了进行多通道的数据采集，这里采用10片A/D进行分时采样，它们的工作时序则由CPLD来控制，每路采集的数据经单片机处理后无线发射，至于何时采样，则由单片机发的Trigger信号决定。在与计算机的通讯方面，系统采用USB芯片通过USB口将无线接收数据送入计算机，并存储在一个二进制文件内，当传输完毕后，运行VB读数软件，可将采集的信号读出以供分析。

　　系统硬件设计

　　数据采集部分

　　数据采集部分主要由传感器、低通滤波放大器、A/D以及CPLD组成，电源管理则主要为各个芯片提供合适工作电压，并为CPLD提供1MHZ主时钟输入。此系统采用10片AD7492，可进行10路模拟信号的采样。CPLD主要控制10片A/D的采样和读数时序，采样率由CPLD内部分频器和无线传输率大小决定。为了配合无线传输模块的工作，这里采用触发采样。即在CPLD内部设计D触发器，并用VCC连接D输入端，Trigger信号作为时钟输入，如图2所示。系统上电后，CPLD便检测其引脚Trigger端，当出现上升沿时， D触发器输出高电平，打开与非门，Convast就会输出1KHz信号，A/D采样开始。

　　无线传输部分

　　数据传输主要利用PIC16F877单片机对无线射频芯片L01的控制实现的。nRF24L01是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHzISM频段，工作电压为1.9V～3.6V，工作温度为- 40℃～+ 85℃，有多达125个频道可供选择，最高通信速率2Mbit/s ，具有自动应答和重发功能，其工作参数全部通过芯片状态字配置，而这些配置字是由PIC16F877通过SPI［1］访问L01的。L01主要技术为：

　　工作模式：CE，CSN，SCK，MOSI，MISO，IRQ这6个管脚为该芯片的控制引脚。微处理器通过对这6个引脚的控制就可以决定该芯片的工作模式。当PWR_UP、PRIM_RX和CE为“111”时，L01处于接收模式;为“101”时处于发射模式;为“1X0”时处于空闲模式1;为“0XX”时处于掉电模式。

　　增强型ShockBurst技术：L01融进了增强型ShockBurst技术，该项技术使得双向通信协议变得简单。在一个典型的双向通信中，接收方在收到发射方的数据时，将会向发射方回传一个应答信号，若接收方未收到该数据，发射方在等待一定延迟时间后将自动重发此包数据（在自动重发功能开启的情况下），这都不需要CPU的参与。

　　数据通道：当L01处于接收状态时，它可以接收来自6个不同通道的数据。每个通道都有一个属于自己的通道地址，但共享同一频道。也就是说，一个配置为接收模式的L01可以和6个配置为发射模式下的L01进行通信，接收机可以根据它们的通道地址进行区分。通道0有一个40位的地址，通道1—5则共享高32位地址，只是低8位不同。每个通道都能开启自动重发射和自动应答功能。处于接收状态下的L01在回传应答信号时，将利用该接收通道的地址作为发射应答信号的发射地址。在发射设备中，通道0常用于接收应答信号。发射数据的地址必须和接收通道0的地址一致，这样才能有效地接收应答信号。

　　数据包描述：“1字节字头 + 3～5字节地址 + 9Bit标志位 + 1～2字节CRC”。当L01要发送数据时，微控制器要先把地址和有效数据写入L01缓存区，然后由L01自动产生字头和CRC校验码，之后再发射出去。

　　USB接口设计

　　系统采用USB芯片FT245，由单片机控制读写操作。FT245提供了一些状态标志位（RXF，TXE）供单片机查询，以便让单片机发读写脉冲执行读写操作，控制非常简单。

　　软件设计

　　要设计好系统的软件，必须清楚其工作原理：首先给发射机上电，配置其L01为PRX，使其进入接收模式等待主机的握手指令，此时采集装置并未开始工作。然后将接收机通过USB接口连接计算机，运行VB程序，点击开始试验按钮，握手指令（H’33’）便通过接收机的L01 （上电配置为PTX）发射出去，发射机在接收到握手指令后，还要做出判断，若不是H’33’，则继续等待握手指令;若是，表示双方建立连接成功，此时发射机的L01便配置为PTX，同时单片机向采集装置发送一脉宽为3.6us的高电平脉冲以激活A/D，使其开始采样，采样率为1KHz。由于每路传感器信号都要被A/D采样，并转换为12bit数字量（认为是2 Byte），那么10通道则为20 Byte，经过单片机处理后再送入L01打包发射。350us之后，接收机收到该数据，并通过单片机和USB芯片实时写入计算机缓存区内，这样双方数据传输10000次，每次20Byte，传输完毕后数据曲线会在VB界面上实时显示。

　　基于以上分析，该系统软件分为两部分：单片机控制程序和计算机界面程序。前者主要完成以nRF24L01为核心的多通道信号的采集和无线传输，后者则完成信号的显示，以供研究人员分析。本文只介绍控制程序，它采用模块化程序设计方法，分为发射机程序和接收机程序两部分。其流程图如图3所示。

　 nRF24L01

　　由于采集系统以1KHz进行采样，即每1ms送20Byte数据，因此无线部分进行一次传输需1ms。若接收机执行接收子程序不够1ms，则必须通过延迟补够，以和发射同步。另外，在接收机程序中特设置800us定时器中断，以防接收机因接收不到数据而长时间等待，影响数据的传输效率。

　　问题分析

　　本系统在运行时出现了一些问题，使其不能正常工作，现说明如下：

　　① L01在收发转换时出现问题;

　　原因：配置字并未写入L01内。

　　② 数据传输时发现其低八位为零，但高四位有数;

　　原因：开启了单片机的PSP功能，导致D口不能用了。

　　③ 数据传输波形图严重失真;

　　原因：无线模块在收发同步上存在问题，数据包之间没有一一对应。

　　实验结果

　　本系统需进行10000次数据传输，每次传输20字节。传输数据时务必保证发射机和接收机的同步性，否则数据包之间将会出现错位，得到的数据曲线会严重失真，影响分析，所以同步问题在无线数据传输系统占重要地位。现附上本系统在同步良好情况下的无线数据传输波形图，见图4。图中的10条曲线是传感器信号被10片A/D采样后经无线传输至计算机后通过VB界面显示出的，中间幅值较高的曲线是两路正弦波，其余为基线。

　　 nRF24L01

　　本系统控制方便、工作稳定，能实现可靠的无线数据传输。经大量实验测得：该系统的平均传输率可以达到256Kbps，平均误码率只有0.2%，可满足绝大部分无线数据传输的需要。

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