基于nRF2401的工程機械儀表顯示無(wú)線(xiàn)通信平臺的設計

摘 要： 針對大型工程機械各類(lèi)信號與駕駛操控室儀表異地顯示的通信問(wèn)題，提出了基于射頻收發(fā)器nRF2401實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據通信的設計方案，詳細介紹了射頻芯片nRF2401的工作原理及特點(diǎn)， 并給出了無(wú)線(xiàn)通信平臺硬件結構、接口電路及相應程序框圖。經(jīng)過(guò)測試，該通信平臺上通信速率高、質(zhì)量好，空曠處的傳輸距離可達100 m。

　　隨著(zhù)射頻無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對大型工程機械駕駛操控室儀表顯示采用無(wú)線(xiàn)通信的信號傳輸方式，可有效消除線(xiàn)纜傳輸固有的弊端，保證信號傳輸的質(zhì)量和可靠性。本文提出一種以超低功耗16 bit微控制器MSP430F149和射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)器nRF2401為核心的無(wú)線(xiàn)通信平臺，實(shí)現了大型工程機械駕駛操控室儀表顯示信號的無(wú)線(xiàn)傳輸，并完成了平臺系統的設計與實(shí)現。

　　1 系統結構及工作原理

　　系統結構及原理框圖如圖1所示。

　　系統由發(fā)射機和接收機組成。發(fā)射機和接收機的無(wú)線(xiàn)模塊為射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)器nRF2401，并均能工作在收發(fā)狀態(tài)，采用半雙工方式通信，通過(guò)按鍵中斷實(shí)現模塊收發(fā)方式的轉換，并在LCD上實(shí)時(shí)顯示收發(fā)器的工作狀態(tài)。發(fā)射機主要完成現場(chǎng)各類(lèi)儀表信號的數據采集及A/D轉換、存儲、軟件抗干擾和標度轉換處理、數據發(fā)送、LCD顯示系統狀態(tài)控制以及控制指令接收等功能；接收機則主要實(shí)現現場(chǎng)數據接收、LCD顯示儀表參數控制、向發(fā)射機傳送控制命令等工作。此外，發(fā)射機和接收機的控制單元配置有標準的RS-232接口，可以很方便地把各類(lèi)數據傳送到PC機上進(jìn)行分析處理。

　　2 通信系統硬件設計

　　發(fā)射機和接收機的控制單元所采用的MCU器件皆為T(mén)I公司的16 bit高性能微控制器MSP430F149芯片。該芯片具有超低功耗、運算速度快、存儲容量大、高性能模擬模式及豐富的片內外設、JATG接口和在線(xiàn)編程等顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)。系統無(wú)線(xiàn)通信模塊為Nordic公司生產(chǎn)的單片集成射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)器nRF2401芯片，工作頻率范圍為全球開(kāi)放的2.4 GHz頻段，可自適應125個(gè)頻道，具有功耗低、通信速率高、通信質(zhì)量穩定可靠、軟件配置工作參數、外圍電路簡(jiǎn)單、應用靈活、成本低廉、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。應用該芯片實(shí)現無(wú)線(xiàn)通信是一種具備較高性?xún)r(jià)比的解決方案。

　　2.1 nRF2401收發(fā)器工作原理

　　nRF2401芯片采用5 mm×5 mm QFN封裝，芯片內置地址解碼器、時(shí)鐘、解調處理器、先進(jìn)先出堆棧區、GFSK濾波器、CRC處理器、低噪聲放大器、頻率合成器和功率放大器等功能模塊，并具有1.9 V～3.6 V寬工作電壓，以-5 dBm功率發(fā)射時(shí)，工作電流為10.5 mA，接收時(shí)工作電流為18 mA。

　　2401工作原理可概括為：2種通信方式、1個(gè)配置字、2個(gè)通道和4種工作模式。

　　兩種通信方式為ShockBurstTM(突發(fā)模式)和Direct Mode(直接模式)。在ShockBurstTM方式下，由2401自動(dòng)處理數據包字頭、地址和CRC校驗碼，數據包由MCU低速送入片內的FIFO區，由2401高速發(fā)出，數據傳輸速率最高達1 Mb/s，這種方式抗干擾性能強并且節能；Direct Mode方式時(shí)，如傳統射頻收發(fā)器一樣，數據包字頭、地址和CRC校驗碼必須在通信程序中處理。

　　2401內置狀態(tài)字寄存器，其功能為設置芯片的工作參數配置字。配置字由CS、CLK1和DATA 3線(xiàn)接口寫(xiě)入，包括芯片收發(fā)狀態(tài)、接收頻道地址位數和地址、通道選擇、傳輸速率、晶振頻率、發(fā)射功率、工作頻率、CRC糾校驗等參數，最多可有144 bit，前24 bit為系統保留位，其余120 bit由程序設置。在ShockBurstTM方式下配置字為15 B，Direct Mode方式下配置字為2 B。

　　2401具有DuoCeiverTM技術(shù)，為接收提供了2個(gè)獨立的專(zhuān)用數字信道，即通道1(CLK1、DR1和DATA)和通道2(CLK2、DR2和DOUT2)，后者只接收數據，可代替兩個(gè)單獨的接收系統。通過(guò)一個(gè)天線(xiàn)接口即可同時(shí)接收兩組數據，但接收通道2的頻率必須比通道1的頻率高出8 MHz以上時(shí)，才能正常接收。

　　2401具備4種工作模式，由PWR_UP、CE和CS 3個(gè)引腳信號決定，表1給出了工作模式與引腳信號的對應關(guān)系。

　　2401上電工作時(shí)，首先置為配置模式，由初始化程序寫(xiě)入配置字，配置字的最后1位指定2401收發(fā)狀態(tài)；然后由控制器輸出信號將CE引腳置為高電平，2401進(jìn)入收發(fā)模式工作，通過(guò)指定通道收發(fā)數據，收發(fā)雙方交互時(shí)一方可進(jìn)入空閑模式，待全部數據傳送完畢時(shí)進(jìn)入關(guān)機模式。

　　2.2 通信系統硬件邏輯電路

　　圖2為系統的控制芯片MSP430F149與無(wú)線(xiàn)模塊nRF2401的硬件邏輯電路。由于MSP430F149只有P1和P2口具有中斷控制功能，故將F149的P2口P2.0～P2.7分別接2401的CE、DR2、CLK2、DOUT2、CS、DR1、CLK1和DATA引腳，P5.7接PWR_UP。

　　2401的工作電壓為3 V，由圖2可知2401應用電路只需少量的外圍元件。在設計過(guò)程中，天線(xiàn)可以選用PCB內置，也可以使用單鞭天線(xiàn)和環(huán)形天線(xiàn)。本系統使用外置天線(xiàn)，SMA接頭。傳輸距離在100 m左右，可滿(mǎn)足大型工程機械儀表通信距離要求。