摘 要： 為了滿足當(dāng)前短距離無線通信的市場需求，采用PIC16F726和nRF24L01芯片設(shè)計短距離無線傳輸系統(tǒng)，給出了硬件設(shè)計方案和軟件設(shè)計流程。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)實現(xiàn)了雙向通信，性能穩(wěn)定可靠，實用性強，性價比高。
關(guān)鍵詞： 短距離無線傳輸；PIC16F726；nRF24L01；雙向通信
21世紀(jì)，短距離無線通信技術(shù)備受矚目。短距離無線傳輸具有抗干擾能力強、可靠性高、安全性好、受地理條件限制少、安裝靈活等優(yōu)點[1]，在電子通信、家電、民用與軍工領(lǐng)域均擁有廣闊的市場。特別是戶外應(yīng)用場合，不宜采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式，無線通信則以無可比擬的優(yōu)勢占據(jù)先機。本文依據(jù)商業(yè)市場發(fā)展需求，研究和設(shè)計了一種基于PIC單片機和無線射頻收發(fā)芯片實現(xiàn)的小成本、低功耗、對等通信且協(xié)議簡單的短距離無線傳輸系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)設(shè)計
由于短距離無線傳輸對環(huán)境、安全性有較高的應(yīng)用要求，所以根據(jù)實際需求采用RF無線射頻收發(fā)一體芯片技術(shù)。相對于目前主流的IEEE802.11x無線局域網(wǎng)技術(shù)、藍牙技術(shù)等短距離無線通信技術(shù)，此技術(shù)具有通信距離遠、功耗低、抗干擾能力更強、自主開發(fā)程度高、開發(fā)成本低、技術(shù)更成熟、通信協(xié)議可自行定義、靈活度極高等優(yōu)點[2]。結(jié)合系統(tǒng)的現(xiàn)實需要，選用了由Nordic公司研制的nRF24L01無線射頻收發(fā)芯片負責(zé)無線數(shù)據(jù)傳輸。
1.1 設(shè)計思路
系統(tǒng)設(shè)計主要以單片機為核心，控制無線通信模塊進行發(fā)射與接收，實現(xiàn)短距離無線傳輸系統(tǒng)的雙向?qū)Φ韧ㄐ拧Ｕ麄€系統(tǒng)的功能模塊示意框圖如圖1所示。
系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計思想，發(fā)射機端與接收機端均由PIC單片機和nRF24L01芯片組成。工作原理是：發(fā)射機端的PIC單片機在實時采集數(shù)據(jù)的同時，根據(jù)控制平臺的控制指令完成無線數(shù)據(jù)信號的發(fā)射，接收機端的PIC單片機完成無線信道與嵌入式平臺之間的數(shù)據(jù)交換功能，嵌入式應(yīng)用平臺則是在接收到發(fā)射機信號的同時，通過接收機向發(fā)射機返回接收指令。這種工作方式能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(xiàn)短距離控制平臺對嵌入式平臺應(yīng)用環(huán)境的無線控制。本設(shè)計主要針對如何實現(xiàn)PIC單片機與嵌入式應(yīng)用平臺之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。
1.2 硬件設(shè)計
主要針對短距離無線傳輸系統(tǒng)的nRF24L01無線射頻收發(fā)模塊和PIC單片機控制器模塊的接口進行設(shè)計。
1.2.1 nRF24L01無線射頻收發(fā)模塊
nRF24L01是工作在2.4 GHz世界通用ISM頻段免使用費的單片無線收發(fā)一體芯片，將射頻發(fā)射接收、GFSK調(diào)制解調(diào)、增強型ShockBurst機制、125頻道、CRC校驗、穩(wěn)壓電路、SPI接口等集成到單芯片中[3]。nRF24L01相比其他公司研制的常用無線收發(fā)芯片（例如Chipcon的CC400，RFMD的RF2915，Bluechip的BCC48等），它可以直接接單片機串口使用，數(shù)據(jù)無需曼徹斯特編碼，可直接傳輸串口數(shù)據(jù)，效率高，發(fā)射電流消耗僅9.0 mA，數(shù)據(jù)傳輸速率可達1或2 Mb/s，收發(fā)天線合一。因此，在目前較為流行的無線通信芯片中，無論是從使用的方便性、傳輸速度還是輸出功率等各個方面考慮，nRF24L01都是一種比較理想的選擇，其接口電路如圖2所示。
nRF24L01是通過SPI接口與外部控制器交換數(shù)據(jù)，如果外部控制器沒有SPI接口，可以用I/O控制口模擬。ANT1和ANT2輸出腳是給天線提供穩(wěn)定的RF輸出。在輸出功率最大時（0 dBm），推薦使用負載阻抗15 ?贅+j88 ?贅，這樣，通過簡單的網(wǎng)絡(luò)匹配可以獲得較低的阻抗。XC1和XC2接入16 MHz晶振，為了實現(xiàn)晶體振蕩器低功耗和快速啟動的目的，建議使用容值較小的電容，考慮成本因素通常用7.0 pF的電容。
1.2.2 PIC單片機外圍接口電路設(shè)計
系統(tǒng)選用了自帶SPI接口的PIC16F726單片機，便于與nRF24L0l進行連接。PIC16F726作為數(shù)據(jù)采集的控制器，它是Microchip公司專門針對中國市場最新推出的低成本、8 bit閃存單片機，具有高性能的RISC CPU，內(nèi)含高精度內(nèi)部振蕩器，低功耗、節(jié)能休眠模式，支持1.8~5.5 V的寬工作電壓范圍，25個I/O控制口，11路AD通道，帶有2個8 bit定時器（Time0、Time2）和1個16 bit定時器增強型Time1[4]。PIC單片機主要完成數(shù)據(jù)的處理，向nRF24L01模塊發(fā)送數(shù)據(jù)并且接收對應(yīng)的接收機傳送過來的數(shù)據(jù)。nRF24L01模塊主要是將發(fā)射機端單片機的待傳數(shù)據(jù)通過射頻信號發(fā)送到接收機端的nRF24L01模塊，并能接收接收機端傳送過來的射頻信號，實現(xiàn)雙向通信。PIC單片機的外圍接口電路如圖3所示。
PIC16F726通過SPI接口控制nRF24L01。nRF24L01的SCK引腳與單片機的RC0引腳相連，即Timer1的時鐘作為SPI時鐘；nRF24L01的MOSI引腳與單片機的RC1引腳連接，nRF24L01的MISO引腳與單片機的RC2引腳連接，實現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸；nRF24L01的IRQ與單片機的RB0相連，作為中斷控制；nRF24L01的CSN引腳與RA4連接，即Timer0的時鐘作為SPI的片選信號；nRF24L01的CE引腳與單片機的RA3相連，無線通信模塊的工作模式由PWR-UP、PRIM-RX寄存器和CE決定（在后文的軟件實現(xiàn)部分中再做詳細描述）。
PIC16F726單片機采用5 V（VCC）電源供電，內(nèi)含復(fù)位電路，16 MHz的晶振，它決定了單片機的串口傳輸速率。SPBRG寄存器決定自由運行的波特率定時器的周期，異步模式下，波特率周期的倍頻值由TXSTA寄存器的BRGH位決定，使用高波特率（BRGH=1）有助于降低波特率誤差。在系統(tǒng)中，由軟件設(shè)置SPBRG寄存器的值為16，SYNC=0且BRGH=1，則無線模塊和單片機的通信速率為57 600 b/s，與實際波特率Fosc/[16（n+1）]的值58 800 b/s僅有2.12%的誤差。單片機與上位機之間采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口，系統(tǒng)采用單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232連接單片機和控制中心。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口設(shè)計，內(nèi)部有兩個電荷泵，將5 V轉(zhuǎn)換為+10 V，為RS-232驅(qū)動器提供工作電壓，所以，系統(tǒng)只需要單一的5 V電源即可[5]。系統(tǒng)采用24LC01B型號EEPROM（電可擦可編程只讀存儲器）滿足系統(tǒng)即插即用、多次修改參數(shù)的要求。24LC01B采用I2C接口方式，輸入電壓范圍為2.5~5.5 V，系統(tǒng)采用3.3 V電壓輸入，400 kHz高頻時鐘，頁寫數(shù)據(jù)只需2 ms，具有千萬次擦寫的壽命周期并能夠保留數(shù)據(jù)超過200年[6]。
2 軟件設(shè)計
軟件設(shè)計采用Microchip的MPLAB IDE作為本系統(tǒng)的編程開發(fā)工具。正確的設(shè)置工作模式對于使用無線射頻收發(fā)芯片至關(guān)重要，對于nRF24L01而言，它的工作模式設(shè)置主要包括發(fā)送、接收、待機和掉電四個狀態(tài)，這是由PWR-UP、PRIM-RX、CE三個引腳共同決定。具體配置如表1所示。
短距離無線傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)兩個部分。在提高系統(tǒng)性能和保證通信效率的前提下，依據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的特性，采用查詢和中斷兩種模式來分別完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。系統(tǒng)的發(fā)送與接收程序流程圖如圖4所示。
3 系統(tǒng)測試
將系統(tǒng)發(fā)射機和接收機端分別通過RS232與PC機連接，通過串口調(diào)試助手進行模擬測試。經(jīng)過多組測試，無誤碼情況，可實現(xiàn)兩者之間的可靠通信。系統(tǒng)測試如圖5所示。系統(tǒng)使用串口3進行發(fā)射機數(shù)據(jù)傳輸模擬，使用串口4對接收機進行模擬。兩串口進行通信，其波特率、校驗位、數(shù)據(jù)位與停止位需相互匹配，均定為57 600波特率、無校驗位、8位數(shù)據(jù)位與1位停止位。通過串口對采集的數(shù)據(jù)“test dates：12 24 37……”等進行傳輸，從圖5測試的結(jié)果可以看出，系統(tǒng)實現(xiàn)了兩者之間的無線雙向通信。
結(jié)合高效、節(jié)能的政策，本文利用IT相關(guān)技術(shù)，系統(tǒng)達到了設(shè)計的任務(wù)要求，實現(xiàn)了短距離雙向無線傳輸功能，可應(yīng)用于各種嵌入式平臺。本設(shè)計采用的是低價格、低功耗且易于開發(fā)的PIC16F726和nRF24L01芯片進行設(shè)計，通用性強，具有廣泛的市場基礎(chǔ)與較高的推廣價值。
參考文獻
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[6] 24LC01B DateSheet[Z]. [2012-06-01] http：//wenku.
baidu.com/view/7228502ded630b1c59eeb5c1.html.