基于nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究

陳 城，李瑞祥，劉婷婷,劉 毅

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200082)

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基于nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)研究

陳 城，李瑞祥，劉婷婷,劉 毅

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200082)

針對傳統(tǒng)有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用不靈活和布線困難等缺點(diǎn)，介紹了基于nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)通過MSP430單片機(jī)控制，由nRF24L01芯片將數(shù)據(jù)在收發(fā)模塊間進(jìn)行傳輸。該系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)結(jié)合了硬件及軟件設(shè)計(jì)，通過測試結(jié)果證明，系統(tǒng)穩(wěn)定、便捷，在實(shí)際應(yīng)用中有效、可靠。

無線數(shù)據(jù)傳輸；nRF24L01；有效可靠；MSP430

信息傳輸可采用有線傳輸或無線傳輸。無線傳輸利用無線電波作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，在本地發(fā)送端和遠(yuǎn)程接收端之間實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸。無線傳輸技術(shù)因可以克服鋪設(shè)線路的困難，同時(shí)便于移動，目前已得到廣泛應(yīng)用。

系統(tǒng)通過MSP430的控制，當(dāng)語音信號輸入時(shí)，將其模數(shù)轉(zhuǎn)換為離散數(shù)字信號，通過nRF24L01芯片將數(shù)據(jù)在收發(fā)模塊間進(jìn)行傳輸，再轉(zhuǎn)換為音頻信號輸出。

1 系統(tǒng)介紹

此次無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射和接收部分選用的核心處理單片機(jī)為MSP430。無線收發(fā)過程，以nRF24L01芯片實(shí)現(xiàn)，使用它的增強(qiáng)型ShockBurst功能模式。單片機(jī)將采集到的音頻數(shù)據(jù)，以32 Byte為一個(gè)數(shù)據(jù)包，通過SPI口nRF24L01定時(shí)發(fā)送。

具體設(shè)計(jì)過程中為兩個(gè)MSP430單片機(jī)之間的通信，實(shí)現(xiàn)單工無線通信的模塊。發(fā)射部分由單片機(jī)最小系統(tǒng)、電容式駐極體麥克風(fēng)、nRF24L01模塊組成：電容式駐極體麥克風(fēng)實(shí)現(xiàn)音頻信號輸入，無線模塊實(shí)現(xiàn)信息的無線發(fā)送。接收部分由單片機(jī)最小系統(tǒng)、nRF24L01模塊組成：迷你音響實(shí)現(xiàn)音頻信號輸出，nRF24L01實(shí)現(xiàn)信息的無線接收。

1.1 無線傳輸系統(tǒng)原理

無線通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是模擬信號的數(shù)字傳輸過程，即模擬信號經(jīng)過數(shù)字化后在數(shù)字通信系統(tǒng)中的傳輸，而模擬信號即指話音信號。模擬信號的數(shù)字傳輸經(jīng)過3個(gè)步驟：第一步將模擬信號數(shù)字化，變?yōu)閿?shù)字信號；第二步進(jìn)行數(shù)字信號的傳輸；第三步將數(shù)字信號還原為模擬信號。本次無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)將重點(diǎn)討論模擬信號數(shù)字化傳輸過程的第二步驟，即數(shù)字信號的傳輸。模擬信號數(shù)字化傳輸系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 模擬信號數(shù)字化傳輸系統(tǒng)框圖

在數(shù)字通信系統(tǒng)中采用的是無線信道傳輸，數(shù)字通信系統(tǒng)原理框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)字通信系統(tǒng)原理框圖

1.2 無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぷ鬟^程

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)使用低功耗的MSP430構(gòu)建，主要涉及無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的應(yīng)用，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊選用性價(jià)比較高的nRF24L01芯片實(shí)現(xiàn)。在MSP430單片機(jī)的控制下，通過nRF24L01芯片，將數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)從發(fā)送模塊傳送到接收模塊，此過程要求無線通信。

(1)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊。通過語言程序控制，發(fā)送端單片機(jī)MSP430首先對此芯片的參數(shù)進(jìn)行一些設(shè)置，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，若啟動了自動應(yīng)答模式，而應(yīng)答信號又是在有效應(yīng)答時(shí)間內(nèi)收到的，則認(rèn)為接收端已成功收到數(shù)據(jù)，則寄存器TX FIFO中的下一包數(shù)據(jù)將被發(fā)射。若在有效時(shí)間內(nèi)未能收到應(yīng)答信號則重新發(fā)送數(shù)據(jù)，若發(fā)送次數(shù)超過原先設(shè)定的值或超過了預(yù)定的時(shí)間，則會產(chǎn)生中斷，而進(jìn)行中斷函數(shù)的處理；

(2)數(shù)據(jù)接收模塊。通過程序控制，接收端MSP430可對無線射頻芯片的參數(shù)進(jìn)行配置，將其配置為接收模式。當(dāng)接收端nRF24L01收到了數(shù)據(jù)，則會自動發(fā)送確認(rèn)信號給接收端，通知發(fā)送端的數(shù)據(jù)已收到。nRF24L01會對收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測，若為有效數(shù)據(jù)，會對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲并產(chǎn)生中斷通知接收端單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的后續(xù)應(yīng)用。接收端單片機(jī)在收到中斷的同時(shí)，要同發(fā)射端進(jìn)行時(shí)間上的協(xié)同，以確保發(fā)送和接收的配合。最后nRF24L01的狀態(tài)寄存器清除，做好下一次數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)備。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

該無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，發(fā)射和接收部分選用的核心處理芯片為MSP430。無線收發(fā)過程，以nRF24L01芯片實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案如圖所示。

圖3 硬件示意圖

2.1 單片機(jī)模塊

此模塊由MSP430芯片相成，它是整個(gè)系統(tǒng)單片發(fā)射和接收部分的核心。MSP430單片機(jī)的工作電壓范圍2.2～3.6 V，在此最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中單片機(jī)電源電路選用3.3 V直流電源。同時(shí)為保護(hù)單片機(jī)的工作，采用電解電容和電容保護(hù)電路。

時(shí)鐘電路是為了保證單片機(jī)能夠有條不紊的進(jìn)行工作，用于向單片機(jī)提供基本的工作時(shí)序。通常有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種，本系統(tǒng)選用內(nèi)部時(shí)鐘方式[11]。

2.2 無線接口模塊設(shè)計(jì)

MSP430和nRF24L01之間通過SPI進(jìn)行通信。SPI總線系統(tǒng)作為一種同步串行外設(shè)接口，其不僅通信速度較高，且通信方式是全雙工通信，能夠?qū)崿F(xiàn)同步通信，SPI通信只使用芯片管腳的4根線，可節(jié)省PCB布局空間。SPI采用環(huán)形總線結(jié)構(gòu)，在時(shí)序脈沖的控制下，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和無線模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。SPI的工作方式是主從方式，此系統(tǒng)中單片機(jī)作為主設(shè)備， nRF24L01作為從設(shè)備。

2.3 UART通信電路設(shè)計(jì)

UART通信采用RS-232通信協(xié)議，是一種異步傳輸標(biāo)準(zhǔn)接口。一般情況下RS-232接口是以9個(gè)或25個(gè)引腳的形態(tài)出現(xiàn)。在此系統(tǒng)的過程中，采用DB-9引腳的RS-232接口。

電腦的串行通訊端口是標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，其高電平為-12 V，低電平為+12 V，MSP430的串口要想與標(biāo)準(zhǔn)RS-232通信，就必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換芯片電壓為3.3 V，所以選擇SP3232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

2.4 電源電路設(shè)計(jì)

由于MSP430單片機(jī)的工作電壓為2.2～3.6 V，nRF24L01芯片的工作電壓在1.9～3.6 V[12]，所以一般選用3.3 V作為工作電壓，而電源適配器的輸出電壓為5 V，所以需要設(shè)計(jì)電壓轉(zhuǎn)換電路對系統(tǒng)進(jìn)行供電，在此電路設(shè)計(jì)中采用spx1117m3-3.3電壓調(diào)節(jié)器來進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。電源電路的外圍電路連接如圖4所示。

圖4 電源電路設(shè)計(jì)原理

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在編寫C語言程序采用Keil uVision4開發(fā)軟件。MSP430單片機(jī)為中心控制系統(tǒng)，配有nRF24L01無線收發(fā)模塊，對采集的語音信號進(jìn)行無線傳輸。通過對nRF24L01模塊的認(rèn)真研究，編寫了無線系統(tǒng)傳輸?shù)慕邮蘸桶l(fā)送程序，使用nRF24L01的Enhanced Shock Burstrm通信方式，2 Mbit·s-1的傳輸速率，2 ByteCRC校驗(yàn)，RF頻道選擇為40，選擇通道0，發(fā)射功率0 dBm。軟件主要分為發(fā)射、接收模塊軟件編程部分和nRF24L01模塊的程序設(shè)計(jì)。

3.1 發(fā)射、接收模塊軟件流程

發(fā)射部分，nRF24L01的數(shù)據(jù)發(fā)送過程為首先將CE位置低，使得芯片工作在待機(jī)模式，再將要發(fā)送的數(shù)據(jù)裝載到TX FIFO中，之后將CE位置高，啟動發(fā)射模式，將數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)射在數(shù)據(jù)接收時(shí)，首先需要將芯片的工作模式設(shè)置為接收模式，當(dāng)接收方接收到有效數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)存放在RX_FIFO寄存器中，產(chǎn)生中斷，通知單片機(jī)去取接收到的數(shù)據(jù)。

圖5 發(fā)射模塊的具體流程圖

圖6 接收模塊的具體流程圖

3.2 nRF24L01模塊的程序設(shè)計(jì)

nRF24L01共有23個(gè)可配置寄存器，在程序開發(fā)的過程中，需要對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行配置，才能保證nRF24L01模塊的正常工作。

nRF24L01模塊的初始化配置包括將nRF24L01工作通道頻率設(shè)定為40 MHz，允許數(shù)據(jù)通道0接收以及開啟自動應(yīng)答，在編程過程中，傳輸數(shù)據(jù)長度設(shè)置為32 Byte，空中發(fā)射速率配置為2 MHz，而發(fā)射功率為0 dBm，2位CRC校驗(yàn)以及工作模式的設(shè)置。

4 系統(tǒng)測試

整個(gè)系統(tǒng)測試由發(fā)射電路和接收電路構(gòu)成,接收電路與PC機(jī)相連,用于觀察接收到的數(shù)據(jù)是否正確。

本文使用聲音測試軟件Audio Tester對系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證性測試，該軟件可利用計(jì)算機(jī)的聲卡發(fā)出指定頻率、指定波形的聲波。語音信號的頻率范圍一般在300～3 400 Hz，測試中利用該軟件發(fā)出1 000 Hz的正弦波，由語音采集系統(tǒng)進(jìn)行采集傳輸，上位機(jī)監(jiān)控軟件監(jiān)測到的信號波形如圖7所示，系統(tǒng)監(jiān)測到的信號波，頻率集中在1 000 Hz，與軟件發(fā)出的聲波信號相符，從而驗(yàn)證了系統(tǒng)采集、傳輸?shù)恼_性。

圖7 監(jiān)測到的信號波形

5 結(jié)束語

通過測試，本系統(tǒng)的主要功能實(shí)現(xiàn)成功，但仍存在一些瑕疵，如路徑損耗、外界干擾均會對傳輸產(chǎn)生一定的影響，后續(xù)會繼續(xù)改進(jìn)。該系統(tǒng)的成本低、體積小，在無線數(shù)據(jù)傳輸場合有較為廣闊的應(yīng)用前景。

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Research on Wireless Data Transmission System Based on nRF24L01

CHEN Cheng, LI Ruixiang, LIU Tingting, LIU Yi

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200082, China)

Traditional data acquisition systems suffer inflexibility and difficult wiring. This paper introduces the wireless data transmission system based on nRF24L01, and adopts the method of modularization. The system is controlled by the MSP430 MCU, and the data is transmitted between the receiving and sending module through the nRF24L01 chip. The overall structure of the system combines the hardware and software design. Tests show that the system is stable, convenient, effective and reliable in practical applications.

wireless data transmission; nRF24L01; MSP430

2016- 01- 23

陳城(1993-)，男，碩士研究生。研究方向：物聯(lián)網(wǎng),無線通信。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.007

TN919.72

A

1007-7820(2016)11-022-04