基于nRF24L01模塊的中繼協(xié)作通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝寧俊等

摘 要： 設(shè)計(jì)一種基于nRF24L01無(wú)線(xiàn)射頻模塊的中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，研究中繼協(xié)作傳輸相比于直傳鏈路的系統(tǒng)性能。利用無(wú)線(xiàn)射頻模塊和STC89C51組成硬件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)，闡述系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)的實(shí)施關(guān)鍵。以降低系統(tǒng)誤碼率為目標(biāo)，最大限度減少信道中噪聲干擾和信號(hào)衰減程度。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的中繼協(xié)作通信具備更強(qiáng)的抗干擾性能，提升了通信的整體質(zhì)量。

關(guān)鍵詞： 協(xié)作通信； 單向中繼； 誤碼率； 射頻

中圖分類(lèi)號(hào)： TN925?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）21?0067?05

Design and implementation of relay cooperative communication

system based on nRF24L01 module

XIE Ningjun， SHI Xiaoyi， YANG Jie， CHEN Rui

（School of Communication Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract： A relay cooperative communication system based on nRF24L01 radio frequency （RF） module was designed. The system performance of relay cooperative transmission in comparison with the direct passing link is studied. The hardware system is composed of RF module and STC89C51 to realize data transceiving and transmitting. The implementation keys of system circuit design and software design are described. The goal is to reduce the system error rate， and decrease the noise interference and the signal attenuation degree in channel. The test experiment results show that the relay cooperative communication implemented by this system has strong anti?jamming performance， and has improved the integration quality of the communication.

Keywords： cooperative communication； one?way relay； error rate； RF

0 引 言

1979年，Cover和Gamal在對(duì)中繼信道的研究中，首次提到了協(xié)作通信的模型，他們研究了由源端、中繼和目的三節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的中繼通信網(wǎng)絡(luò)模型的信道容量。中繼在無(wú)線(xiàn)協(xié)作傳輸系統(tǒng)中起著重要作用，它能夠擴(kuò)展覆蓋率，提高可靠性和增強(qiáng)傳輸能力[1]。無(wú)線(xiàn)中繼協(xié)作技術(shù)由于能夠擴(kuò)大傳輸半徑及對(duì)抗衰落的影響，近年來(lái)成為無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[2?3]。

文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)了一種中繼選擇通信系統(tǒng)并給出一種自適應(yīng)中繼選擇方案（ARSS），系統(tǒng)以降低中斷概率和提高平均吞吐量為目標(biāo)。文獻(xiàn)[5]研究的中繼協(xié)作通信可以在較少的瞬時(shí)信道信息情況下以低復(fù)雜度的中繼選擇算法獲取更優(yōu)的中斷性能。文獻(xiàn)[6]給出了一種增加傳輸范圍，提高傳輸可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，文獻(xiàn)[7?8]從系統(tǒng)能量效率的角度研究了協(xié)作通信并給出優(yōu)化后的中繼協(xié)作傳輸系統(tǒng)模型。

然而現(xiàn)有的研究多基于理論模型，實(shí)際的通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)較少，無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)對(duì)傳輸性能和通信質(zhì)量有很高的要求。文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種基于nRF24L01模塊的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)，滿(mǎn)足了網(wǎng)絡(luò)化條件下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳輸通信。文獻(xiàn)[10]通過(guò)設(shè)計(jì)一種基于ARM和射頻模塊的通信系統(tǒng)運(yùn)用于無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸和無(wú)線(xiàn)測(cè)控中。文獻(xiàn)[11]設(shè)計(jì)的通信系統(tǒng)具有傳輸穩(wěn)定、傳輸速率高的特點(diǎn)。但以上系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)于中繼協(xié)作傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)較少，在協(xié)作通信上的應(yīng)用不多。

本文在已有成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于nRF24L01模塊的中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中繼轉(zhuǎn)發(fā)及完成接收端處兩路信號(hào)的合并，提高了系統(tǒng)的通信質(zhì)量。

1 系統(tǒng)模型

本文設(shè)計(jì)一個(gè)單向中繼協(xié)作通信系統(tǒng)，系統(tǒng)模型如圖1所示。系統(tǒng)有3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為由nRF24L01無(wú)線(xiàn)模塊設(shè)計(jì)組成的源點(diǎn)S、終端D和中繼節(jié)點(diǎn)R，整個(gè)系統(tǒng)工作在實(shí)際環(huán)境當(dāng)中，單向直傳鏈路和中繼轉(zhuǎn)發(fā)鏈路中有噪聲和各類(lèi)干擾，在S端和D端分別通過(guò)串口連接調(diào)試。

2 硬件設(shè)置

2.1 nRF24L01無(wú)線(xiàn)通信模塊簡(jiǎn)介

nRF24L01是由Nordic公司生產(chǎn)的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片，引腳封裝如圖2所示。其工作在2.42～2.48 GHz ISM頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率為0～2 Mb/s，內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊以及硬件CRC （循環(huán)冗余校驗(yàn)）和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信地址控制，并融合了Enhanced ShockBurst 技術(shù)。

nRF24L01主要性能特點(diǎn)如下[12]：

（1） 極低的功耗：工作在各模式下的能耗較低，極大地減少了電流消耗；待機(jī)模式下的電流消耗為22 μA，掉電模式電流消耗僅為900 nA；

（2） 低工作電壓：在2.7～3.6 V電壓工作，工作溫度范圍為-40～80 ℃；

（3） 高速率，多通道： 6個(gè)數(shù)據(jù)通道，滿(mǎn)足多點(diǎn)通信和調(diào)頻需要，2 Mb/s的最高速率使得高質(zhì)量VoIP成為可能；

（4） 擁有自動(dòng)重發(fā)功能、地址及CRC校驗(yàn)功能，具有125個(gè)可選工作頻道，擁有很短的頻道切換時(shí)間，可用于跳頻；

（5） 數(shù)據(jù)包每次可傳輸1～32 B的數(shù)據(jù)，4線(xiàn)SPI通信端口，通信速率最高可達(dá)8 Mb/s，適合與各種MCU連接，編程簡(jiǎn)單；

（6） 輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)SPI 接口進(jìn)行設(shè)置，幾乎可以連接到各種單片機(jī)芯片，并完成無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送工作。

2.2 STC89C51芯片

STC系列單片機(jī)是美國(guó)STC公司推出的一種51內(nèi)核單片機(jī)。其片內(nèi)含有FLASH程序存儲(chǔ)器，SRAM，UART，SPI，A/D，PWM等模塊，片上集成512 B RAM，片內(nèi)含8 KB的可反復(fù)擦寫(xiě)1 000次的FLASH只讀程序存儲(chǔ)器，器件兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS?51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP FLASH存儲(chǔ)單元，具有在系統(tǒng)可編程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可將用戶(hù)的程序代碼下載進(jìn)單片機(jī)內(nèi)部，且速度較快。

工作電壓：3.8～5.5 V，工作溫度：0～75 ℃（3.8 V）/-40～ 85 ℃（5.5 V）。

3 電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由STC89C51芯片搭載nRF24L01無(wú)線(xiàn)射頻模塊，STC89C51作為主控芯片其接口數(shù)量可以滿(mǎn)足nRF24L01模塊需求，射頻模塊的工作電壓為2.7～3.6 V，設(shè)計(jì)中采用3.3 V的電源對(duì)其進(jìn)行獨(dú)立供電。單片機(jī)接11.059 2 kHz的低頻晶振工作，nRF24L01的工作頻率為16 MHz，由低速的MCU控制高速收發(fā)的射頻芯片為本系統(tǒng)的特點(diǎn)。

nRF24L01和STC89C51的連接電路圖如圖3所示。

在圖3中，CE，CSN，SCK，MOSI，MISO和IRQ分別與STC89C51的P0.0，P0.1，P0.2，P0.3，P0.4和P0.5相連接，單片機(jī)通過(guò)SPI接口對(duì)nRF24L01進(jìn)行狀態(tài)配置，發(fā)送端配置成發(fā)送模式，當(dāng)P0.0（CE）信號(hào)從高電平跳變到低電平，nRF24L01將數(shù)據(jù)以2 Mb/s的速率發(fā)射出去，單片機(jī)檢測(cè)到其成功發(fā)射的信息后繼續(xù)準(zhǔn)備下一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送。接收端配置成接收模式，一旦檢測(cè)到與自身相同的信息地址就取出包中的信息并使P0.5（IRQ）變低，通知單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)取走并再次置為接收模式。

4 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)對(duì)nRF24L01 模塊的軟件控制包括在配置模式下對(duì)nRF24L01的初始化配置、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收存儲(chǔ)數(shù)據(jù)以及轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)配置，具體軟件工作流程如下：

（1） 干擾源未工作，模擬理想直傳鏈路傳輸。在開(kāi)始階段，源點(diǎn)準(zhǔn)備好待傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息，開(kāi)始冗余位以及結(jié)束標(biāo)志位；終點(diǎn)設(shè)置成接收模式，等待源點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，在接收到開(kāi)始標(biāo)志后將接收到的信息經(jīng)過(guò)比較判決后，通過(guò)串口調(diào)試助手發(fā)送到電腦，基本流程如圖4所示。

（2） 干擾源加入系統(tǒng)，模擬信號(hào)干擾，對(duì)直傳鏈路產(chǎn)生影響，源點(diǎn)和終點(diǎn)的配置模式保持不變，干擾源工作模式同源點(diǎn)工作模式相同，基本流程如圖5所示。

（3） 在干擾存在的情況下，使能中繼端，模擬中繼對(duì)協(xié)作傳輸系統(tǒng)的改善。作為中繼的nRF24L01模塊設(shè)置為可在接收和發(fā)送兩種狀態(tài)之間切換，初始設(shè)置為接收模式，待收到源點(diǎn)的開(kāi)始標(biāo)志位后將傳輸信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，直至收到源點(diǎn)的結(jié)束標(biāo)志位后停止轉(zhuǎn)發(fā)，基本流程如圖6所示。

圖6 中繼協(xié)作傳輸過(guò)程

4.1 nRF24L01傳輸配置

nRF24L01工作狀態(tài)下的SPI時(shí)序表示如下：

unsigned char NRFSPI（unchar date）

{

unchar i；

for（i=0；i<8；i++）

{

if（date&0x80）

MOSI=1；

else

MOSI=0； //byte最高位輸出至MOSI

date<<=1； //低一位移至最高位

SCLK=1；

if（MISO）

date|=0x01； //讀MISO至byte最低位

SCLK=0； //SCK置低

}

return（date）；

}

4.2 nRF24L01數(shù)據(jù)收發(fā)設(shè)計(jì)

發(fā)送端配置成發(fā)送模式，根據(jù)sta的狀態(tài)判斷發(fā)送是否成功，單片機(jī)識(shí)別到TX_DS（數(shù)據(jù)發(fā)送完成中斷位）為1或檢測(cè)到MAX_RT（達(dá)最多發(fā)送次數(shù)）為1時(shí)進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理，nRF24L01配置發(fā)送模式并發(fā)送數(shù)據(jù)TxDate的過(guò)程如下：

void NRFSetTxMode（unchar *TxDate）

{

CE=0；

NRFWriteTxDate（W_REGISTER+TX_ADDR，TxAddr，TX_

ADR_WITDH）；

NRFWriteTxDate（W_REGISTER+RX_ADDR_P0，TxAddr，TX_ADDR_WITDH）；

NRFWriteTxDate（W_TX_PAYLOAD，TxDate，TX_DATA_

WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_AA，0x01）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_RXADDR，0x01）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+SETUP_RETR，0x00）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RF_CH，0x40）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RF_SETUP，0x07）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+CONFIG，0x0e）；

CE=1；

Delay（5）；

}

終端配置成接收模式，目的接收地址和發(fā)送地址保持一致，在nRF24L01的對(duì)應(yīng)通道中使能選定通道對(duì)源點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信號(hào)進(jìn)行接收，nRF24L01配置成接收模式的過(guò)程如下：

void NRFSetRXMode（ ）

{

CE=0；

NRFWriteTxDate（W_REGISTER+RX_ADDR_P0，RxAddr1，TX_ ADDR_WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_AA，0x01）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_RXADDR，0x01）；

//enable channel 0

NRFWriteReg（W_REGISTER+RX_PW_P0，TX_DATA_ WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RX_PW_P1，TX_DATA_ WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RX_PW_P2，TX_DATA_ WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RX_PW_P3，TX_DATA_ WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RX_PW_P4，TX_DATA_ WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RX_PW_P5，TX_DATA_ WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RF_CH，0x40）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+CONFIG，0x0f）；

CE=1；

Delay（5）；

}

5 系統(tǒng)性能測(cè)試

整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試運(yùn)行在實(shí)際環(huán)境當(dāng)中，無(wú)線(xiàn)協(xié)作傳輸系統(tǒng)由源點(diǎn)、終點(diǎn)、中繼和干擾源構(gòu)成，干擾源可全程對(duì)直傳鏈路和協(xié)作傳輸鏈路進(jìn)行干擾，接收端對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行合并，實(shí)驗(yàn)設(shè)定的發(fā)送均值為5，因此在接收端處，數(shù)據(jù)均值越靠近5則表明誤碼率越低；反之，誤碼率越高。

無(wú)干擾的時(shí)候，接收端接收到的信號(hào)均值為5，誤碼率很低。當(dāng)干擾信號(hào)對(duì)鏈路進(jìn)行干擾，終點(diǎn)收到的信號(hào)隨著干擾程度的加深，信號(hào)均值產(chǎn)生很大的偏移，造成較大的誤碼率。經(jīng)測(cè)試，干擾源信號(hào)分別從0～3，1～4，2～5，3～6，4～7，5～8，6～9中選擇，并將所得結(jié)果表現(xiàn)出來(lái)，如圖7所示。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于nRF24L01無(wú)線(xiàn)射頻模塊的中繼協(xié)作通信系統(tǒng)。系統(tǒng)運(yùn)行功耗低、成本少，在實(shí)際環(huán)境中運(yùn)行穩(wěn)定，傳輸效果良好，顯著降低了誤碼率。協(xié)作傳輸鏈路的設(shè)計(jì)改善了系統(tǒng)整體通信質(zhì)量，增強(qiáng)了抗干擾性能，在此基礎(chǔ)上將進(jìn)一步完成雙向分布式中繼協(xié)作通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本文實(shí)現(xiàn)的通信系統(tǒng)再做改動(dòng)，還可應(yīng)用于一些其他無(wú)線(xiàn)通信領(lǐng)域。

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