基于射頻模塊nRF24E1的無(wú)線(xiàn)系統的開(kāi)發(fā)

2.系統原理及流程

2.1工作原理和流程
該系統主要由程序下載單片機、無(wú)線(xiàn)模塊nRF24E1、SPI存儲器EEPROM、前端采集模塊或功能顯示界面及串行口組成。程序下載單片機（如AT89S52）通過(guò)串行口與PC機連接，接收PC機下載的執行程序，并存儲到SPI存儲器中，配置nRF24E1內的51核。在數據采集系統中，nRF24E1無(wú)線(xiàn)模塊上電后讀取SPI存儲器中的執行程序，讀取前端采集的數據，并通過(guò)nRF24E1中的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊實(shí)現無(wú)線(xiàn)發(fā)送。在遠程下載系統中，發(fā)送端將要在24E1模塊中執行的程序在無(wú)線(xiàn)環(huán)境中傳輸，接收端運行結果在終端（PC、液晶屏等）上顯示，以適應動(dòng)態(tài)變化要求。

系統模式圖如下：

圖1：系統模型

2.2硬件設計
在硬件上，本系統研制了SPI總線(xiàn)下載器，將24E1的模塊作為外插件附于其上。開(kāi)發(fā)板上包括串口電平轉換部分、89S52單片機部分、24E1可拔插模塊及控制部分、電源管理部分。開(kāi)發(fā)板由5V電源供電，轉換為3.3V向芯片輸出，由繼電器DS2Y-3控制下載完程序后24E1模塊的上電。兩個(gè)串口一個(gè)用作89S52控制PC向EEPROM傳遞程序，另一個(gè)與24E1相連，使得其接收到的或采集的數據可在串口顯示?？刂?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/射頻">射頻模塊與EEPROM進(jìn)行數據交換的是幾片邏輯芯片74LVC1G125、74AHC1G32，有效的隔離了以EEPROM為分界的程序下載和加載過(guò)程。

在兩種應用的系統中，發(fā)射端的硬件設計是一致的，在接收端：數據采集系統將傳感器與24E1模塊引出的I/O相連，由內部8051內核控制；遠程程序下載系統將運行結果通過(guò)串口或USB口與PC等其它設備相連，或外接液晶屏顯示。

2.3軟件控制
　　nRF24E1內的51核相對普通8051作了一定的擴展，一般編譯器不能完全支持nRF24E1。KeilC51V7.01及其以上的版本都支持nRF24E1，因此，編程非常方便。此系統的軟件分以下幾個(gè)部分：發(fā)送端的上位機軟件由VC開(kāi)發(fā)，主要實(shí)現控制程序到HEX文件的轉換及通過(guò)串口和單片機89S52向EEPROM25AA320的下載。其中溫度采集系統的控制程序實(shí)現對24E1的配置、利用片內51核進(jìn)行溫度等的采集、并將采集到的數據通過(guò)射頻模塊發(fā)送；接收端將收到的溫度信息送到串口顯示。遠程下載系統的控制程序實(shí)現24E1的配置和發(fā)送對接收端進(jìn)行下載編程的程序；接收端將收到的程序導入負責程序執行的4KB RAM中，對于它相連的設備進(jìn)行控制或將運行結果顯示出來(lái)。

(1)上位機下載軟件

將轉換成HEX格式的文件向串口下載，同時(shí)在后臺運行燒入89S52的下載控制程序，不斷監測串口是否有數據輸出，一旦發(fā)現則通過(guò)單片機的SPI總線(xiàn)下載到外部ROM。EEPROM25AA320是SPI接口的存儲器，有標準的控制信號SDO、SCK、SCI,在SCK脈沖的上升沿進(jìn)行數據的寫(xiě)入，每次寫(xiě)入都要將25320的CS信號選通，同時(shí)將WP(寫(xiě)保護)信號關(guān)掉，這同時(shí)也斷掉了25320到24E1方向的通路。寫(xiě)入EEPROM的數據都要以以下格式傳送：

其中SPEED和XO_FREQ為VC界面上的下載速度和晶振頻率。

程序下載完畢后，繼電器控制射頻模塊上電，軟件將WP信號置位，就切斷了程序下載過(guò)程，也將程序存儲器與24E1之間的通路打開(kāi)，nRF24E1通過(guò)SPI口與EEPROM進(jìn)行連接。上電后，電路可在512BROM中存儲的引導程序的控制下，通過(guò)SPI總線(xiàn)將EEPROM中存儲的用戶(hù)程序傳送至nRF24E1的4KBRAM程序運行空間中，從而把控制的任務(wù)轉到用戶(hù)程序。這樣，24E1內部的單片機就開(kāi)始執行控制程序的工作了。

（2）無(wú)線(xiàn)收發(fā)協(xié)議及流程

射頻模塊的無(wú)線(xiàn)傳輸有兩種模式：ShockBurstMode和DirectMode，24E1只支持前者，這種技術(shù)使用片上的FIFO的方式在8051MCU與射頻模塊之間進(jìn)行數傳，保證了較低的數據傳輸率(10Kbps)和較高的數據發(fā)送速率（可達1Mbps），從而節省了能量。數據在空中傳輸的幀格式如下：

地址和數據字段的長(cháng)度在配置24E1時(shí)均可定義,PRE-AMBLE和CRC校驗字段均為系統在成幀后自動(dòng)加上。

發(fā)送流程如下：

接收流程如下：

發(fā)送和接受都由8位RADIO寄存器控制，發(fā)送時(shí)定義了兩個(gè)通道的時(shí)鐘和一位數據；接收時(shí)受PWR_UP、CE、CS信號聯(lián)合控制，要嚴格遵守時(shí)序。

由于系統要設計一對多機的通信過(guò)程，所以要應用到跳頻技術(shù)。在傳統的調頻通信技術(shù)中，使傳輸頻率以突發(fā)脈沖序列為基礎進(jìn)行跳變，不同突發(fā)脈沖序列上的數據采用不同的頻率進(jìn)行傳送。在本套系統中，24E1的頻段是2400MHz~2527MHz范圍，定義：ChannelRF=2400MHz+RF_CH*1.0MHz,由于24E1是一發(fā)二收的機制，發(fā)送端同一頻點(diǎn)（RF_CH）的兩個(gè)接收通道（channel）頻率相差8MHz，都在初始化時(shí)由相應的寄存器控制。

需要提出的是，在遠程程序下載系統中，在接收端的程序設計要相對復雜一些。它收到的是對其它設備進(jìn)行控制的程序，有兩個(gè)辦法：一是將整段程序送到與之相連的帶MCU的設備處理；二是在24E1內再寫(xiě)一段bootloader，將接收的程序引導入內部的程序執行區域，由8051運行并輸出結果。兩種方法都可行，開(kāi)發(fā)人員可視具體系統而定。

3.創(chuàng )新點(diǎn)與完善

本論文完成的整個(gè)系統投入較低，作為無(wú)線(xiàn)傳輸設備，nRF系列單片機易于開(kāi)發(fā)，通信協(xié)議簡(jiǎn)單，只要掌握51的編程規范，很容易上手。另外，結合各類(lèi)傳感器的使用，nRF系列單片可用于多種數據的采集；可以在此基礎上，方便地開(kāi)發(fā)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)?？捎密浖瓿商l通信，實(shí)現點(diǎn)對多點(diǎn)的數據傳輸。該系統用于無(wú)線(xiàn)編程下載，也有很大的應用前景，國外很多基于無(wú)線(xiàn)的編程控制系統已投入使用。目前，USB這種即插即拔的接口設備以其方便的特性有越來(lái)越多的應用，在此系統的基礎上，可用一塊CP2102（USB轉串口芯片）用USB代替串口，實(shí)現更大的應用價(jià)值。

日前，ZigBee(802.15.4)技術(shù)已成為無(wú)線(xiàn)傳輸的熱點(diǎn)，它以低功耗、低成本、時(shí)延短、容量大等特點(diǎn)，被業(yè)界認為是最有可能應用在工控場(chǎng)合的無(wú)線(xiàn)方式。它同樣使用2.4GHz波段，采用跳頻技術(shù)。我們完成的基于nRF24E1的系統還可以參照Z(yǔ)igBee協(xié)議，進(jìn)一步拓展通信協(xié)議，實(shí)現更完善的功能。

參考文獻
　　1.NORDICnRF24E1PRELIMINARY PRODUCT SPECIFICATION http://www.nordicsemi.no/
2.nRF24E1PCB設計指南
3.肖金球.《單片機接口技術(shù)》[M]北京：清華大學(xué)出版社2004
4孫利民.無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )[M]北京：清華大學(xué)出版社2005