nRF24L01的干扰问题分析

屈育成 2017-12-15 20744

RF/无线

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描述

　　nRF24L01是挪威Nordic公司推出的一款无线收发芯片，它具有高速、低功耗、低成本的特点，可以为桌面电脑产品及智能设备的应用提供更好的方案;同时芯片上配有MultiCeiver 逻辑，可支持同时接收 6 路无线设备数据，因此它还支持无线组网和多媒体如VoIP等的应用。

　　nRF24L01工作于全球开放的ISM（工业、医学和科学） 2.4GHz 频段，其优点是使用者无需申请许可证，有利于方便使用和降低成本，同时可以避免低频段信号、各类电弧和家用电器的干扰，然而这一频段也云集了蓝牙、ZigBee、Wi- Fi、WLAN 等标准协议的应用，因此如何解决其他同频段设备的干扰是应用nRF24L01时必须考虑的问题。

　　一、nRF24L01 简介

　　1.nRF24L01 的内部结构

　　nRF24L01 的内部结构如图 1 所示，芯片上集成了频率合成器、功率放大器、晶振调制解调器和EnhancedShockBurstTM，发射功率、工作频率等工作参数可以通过SPI 接口用软件来设置。它工作于全球开放的 2.4GHz 频段，有125 个频道，可以满足多频和跳频的需要。它的电流消耗很小，6dBm 输出功率时的峰值电流为9.0mA，在接收模式下的电流为 12.3mA，内置掉电和空闲工作模式使省电易于实现。

　　2.nRF24L01的工作原理

　　nRF24L01 内置 Enhanced ShockBurstTM，在通信时使用双向链接，当接受方收到数据包时，会给发送方回发确认，这样就可以检测到丢失的数据包，以便发送方重发。其目的是让 nRF24L01 来处理数据发送和丢失数据包时的重发，而不需要外接微控制器的介入，这样可以极大地降低系统功耗和提高系统的工作效率。

　　接收模式：

　　设置为接收模式的 nRF24L01 可以从 6 个数据通道接收数据（见图 2），每个数据通道都有唯一的地址，同时共用一个频道，意味着 6 个设置为发送模式的 nRF24L01可以同时与一个设置为接收的 nRF24L01 通信，接收方通过数据通道地址来区别不同的发送方，并且在收到一个数据包时会向发送方回发一个 ACK （自动应答）。

　　发送模式：

　　设置为发送模式的 nRF24L01，当允许EnhancedShockBurstTM 时，在外接微控制器的控制下发送数据包后，将自动切换到接收模式等待接收方的应答，如果没有收到应答，发送方将重发数据包直到收到应答或发送次数已到达设置的最大发送次数。

　　在接收到数据包、发送成功或发送失败时，nRF24L0都会产生相应的中断，以便微控制器进行下一步的处理。

　　二、解决同频段其他设备干扰的方案

　　由于 2.4GHz ISM 频段是全球开放频段，许多系统如WLAN、蓝牙等都共用这一频段，这就是说 nRF24L01 的工作环境也许会是一个干扰很多的环境，该设计往往在受控的实验室环境下工作得很好，但在现场却会由于受到其他工作在 2.4GHz 产品的影响而使性能显著下降。因此在应用nRF24L01 时如何避免其他设备的干扰是必须考虑的问题。

　　工作在2.4GHz频段的无线设备的频道使用情况主要分为两种，一种是频率分布相对稳定的系统如W- LAN，另一种是跳频系统如蓝牙。

　　W- LAN采用 DSSS（直接序列扩频），其每信道带宽为 22MHz，故允许使用3个分布式信道而不会相互重叠，它将原信号“1” 或 “0”利用10个以上的 chips代表“1” 或 “0”，使得原来较高功率、较窄频率变成具有较宽频的低功率，因此W- LAN 对其他设备而言产生的是在某些频率段相对稳定的干扰。

　　蓝牙技术采用FHSS（跳频扩频）并将2.4GHz ISM 频段划分成79个1MHz 的信道。蓝牙设备以伪随机码方式在这79个信道间每秒钟跳1600 次，它同时接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号。对于一个非特定的接收端，

　　随着 CAD/ CAM 一体化技术和局域网技术的普及和应用，目前多数企业在新产品设计开发、工艺过程编制和数控机床程序编制的效率和质量上都得到了明显的提高，企业的技术管理与生产管理已经进入了网络化时代。而与 CAD/ CAM 密切相关的数控机床管理仍然处于原始状态，成为制约企业现代化管理水平提高的瓶颈。特别是教学单位受到资金的限制，数控机床设备不到位又要完成教学任务，面临的困难可想而知。而数控机床联网技术的研究与开发使资源共享，工教结合，是培养数控人才的捷径。

　　数控机床联网后，依赖于专用网络管理软件的功能，所有编制好的程序均放在对应于每台机床的目录下，每个程序按照零件图号编制名字，不会发生重名现象，操作者随时通过指令了解网络上的程序并下载使用。

　　三、系统的总体构想

　　硬件平台

　　本次选用比较普及 PC 奔腾 IV 作为核心服务器开发，客户机可用奔腾II机型，但数控机床编程 Mastercam 需高档机型。通讯电缆用超五类双绞线及100兆交换机，电脑和机床部分暂用简单的RS232串行接口。硬件组成如图1

　　FHSS所产生的跳动讯号对它而言，只能算是脉冲噪声而已。nRF24L01的信带宽同样是1MHz，它将整个2.4GHzSM频段分为125个有效信道。

　　频率稳定的系统在一定的频段工作，而跳频系统在整个 2.4GHz 频段范围都会产生影响。在 2.4GHz 频段工作的系统其数据发送都是基于数据包的。如果跳频系统在某个时刻占用了某频道，那它在其他时间占用整个频段的任何其他频道的概率是相同的，也就是说发生冲突的概率是相同的。因此 nRF24L01 与跳频系统的工作发生冲突时没有必要改变自己的工作频道。而干扰来自频率稳定的系统时，需要跳转到另一个与该系统发生冲突概率较小的频道。因此改变信道避免冲突的原则是当受到持续的干扰时才跳转到另一个信道。

　　基于以上的分析，可以归纳出如下的跳频规则：

　　1. 监测到当前信道的持续干扰。

　　2. 跳转到受到自同一干扰源的干扰概率较小的信道。

　　3. 如果干扰来自其他的跳频系统，则不进行跳频。

　　nRF24L01 集成了载波监测功能，可以准确地监测当前工作信道是否有干扰，保证了在W- LAN 环境下可靠地工作。其SPI接口与外接微控制器的通信速率可达10Mbps，具有高速度和独特的切换时间，减少了与跳频系统如蓝牙出现时碰撞的可能。

　　对于nRF24L01的通信，可以采取如下方案：

　　数据发送方发送数据并等待接收方的 ACK，如果没有收到 ACK，表示发送失败则在相同信道上重发两次。由于蓝牙系统在每个信道上停留的时间为650us，而nRF24L01一次动作（即发送数据并等待接收对方 ACK 的时间）大约为 1ms，因此如果第一次发送失败是由于与蓝牙系统发生冲突，那么第二次发送一般可以顺利到达接收方。

　　如果三次发送均失败，说明受到的不是脉冲干扰，而是稳定的干扰，这时 nRF24L01需要跳转到另一个信道。事先将所有想要使用的信道做成列表，在需要跳频时查表即可。信道列表一般不采用 1， 2， 3， 4……的顺序安排，因为如果一个信道受到干扰，那么与之相邻的信道很有可能也受到干扰，考虑到 W- LAN 的信道带宽为 22MHz，可以用公式 i+j×22 （ j=1， 2， 3， 4， 5; i=1， 2， 3）的顺序安排信道列表。

　　虽然蓝牙、W- LAN 都是标准协议，但是协议复杂、开发难度大、周期长等都是其软肋。nRF24L01 采用非标准协议，与蓝牙、W- LAN 等标准协议相比具有价格较低、低功耗、易于开发等优势，为一些只需要简单无线连接的领域提供一种可供参考的解决方案，其应用领域和应用前景十分广泛

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