基于nRF2401的工程機械儀表顯示無(wú)線(xiàn)通信平臺的設計

　　系統外圍電路部分設計較簡(jiǎn)單，MSP430F149的P6口為指定A/D口，現場(chǎng)采集的儀表傳感器信號經(jīng)整形放大輸入F149的P6端口進(jìn)行A/D轉換；P3、P4、P5口為普通I/O口，因此要合理利用I/O口；F149的P4和P5端口接液晶顯示器YJD12864，控制LCD實(shí)時(shí)顯示；P1端口接鍵盤(pán)，2401的收發(fā)狀態(tài)由按鍵中斷設定。

　　3 系統軟件設計

　　系統軟件是在IAR Embedded Workbench平臺上開(kāi)發(fā)的C代碼程序，采用模塊化結構。發(fā)射機程序包括數據采集、無(wú)線(xiàn)數據發(fā)送、實(shí)時(shí)顯示以及與PC機通信等模塊；接收機程序包括無(wú)線(xiàn)數據接收、地址和CRC校驗、儀表參數實(shí)時(shí)顯示以及與PC機通信等模塊。此外，發(fā)射機和接收機軟件留有收發(fā)命令接口，以備系統擴展工程操作遙控功能。本文主要討論無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊。

　　無(wú)線(xiàn)通信模塊主要完成nRF2401初始化和無(wú)線(xiàn)數據收發(fā)功能。

　　2401初始化主要是寫(xiě)入配置字，由CS片選引腳控制, CLK1引腳提供串行時(shí)鐘，通過(guò)DATA數據位引腳串行寫(xiě)入配置字。2401工作在ShockBurstTM方式下，配置字包括數據寬度、地址寬度、地址、CRC校驗碼和解碼四部分。

　　2401數據包通信協(xié)議格式由PRE-AMBLE＋ADDRESS＋PAYLOAD＋CRC項組成。其中：PRE-AMBLE為8 bit前導碼，由硬件自動(dòng)加入；ADDRESS為32 bit發(fā)送地址碼；PAYLOAD為208 bit的發(fā)送數據；CRC是由內置糾檢錯硬件電路自動(dòng)加上的校驗和，可設為0、8或16 bit。除去前導碼，本系統設置數據包長(cháng)度為256 bit(32 B)，其中：數據寬度208 bit、地址寬度32 bit、CRC碼16 bit。

　　根據通信協(xié)議設定2401接收端配置字為：

　　0x00.d000.0000.0000.00cc.cccc.cc83.4f05；

　　發(fā)送端配置字為：0x00.ff00.0000.0000.00cc.

　　cccc.cc83.4f04。配置后2401以ShockBurstTM模式進(jìn)行單通道接收，通道1地址為0xcccc.cccc，通信速率250 kb/s，晶振頻率16 MHz，輸出功率0 dBm，工作頻率2 402 MHz。

　　通信系統發(fā)送和接收程序流程圖如圖3所示。

　　通信程序開(kāi)始時(shí)，首先對MSP430F149、A/D、YJD12864、nRF2401初始化并等待按鍵中斷，系統分別設置收、發(fā)和空閑鍵，當按鍵閉合產(chǎn)生中斷后分別進(jìn)入對應的中斷服務(wù)程序，完成數據包的傳送。2401的CE端由MCU 的P2.0引腳控制。發(fā)送程序開(kāi)始時(shí)寫(xiě)入2401發(fā)送配置字，再置CE端為高，2401進(jìn)入發(fā)送模式，通道1地址和發(fā)送數據由P2.7(DATA)引腳依次寫(xiě)入2401的緩沖區， 2401自動(dòng)加上字頭、CRC校驗碼將數據包以250 kb/s的通信速率發(fā)射出去。發(fā)送程序可以連續發(fā)送數據包直到按下接收鍵或空閑鍵退出發(fā)送程序返回。當按下接收鍵時(shí)進(jìn)入接收程序，首先寫(xiě)入2401接收配置字，當CE端置高時(shí)2401進(jìn)入接收模式，延時(shí)202 ?滋s后開(kāi)始接收數據包，當正確接收數據包后，2401自動(dòng)除去前導碼、地址和CRC校驗碼并將數據送緩沖區，同時(shí)DR1輸出高電平通知MCU讀取數據，微控制器從P2.7引腳逐位移出數據后，DR1輸出低電平，接收數據包結束。接收程序亦可以連續接收數據包直到按下發(fā)送鍵或空閑鍵退出接收程序返回。

　　4 實(shí)驗結果及結論

　　由于MSP430F149內置高精度12 bit 8通道A/D轉換器，數據轉換精度可達。本系統使用其中1路通道采集油箱油量數據。為保證數據采樣的精度，數據采集程序采用算術(shù)平均值數字濾波，對采樣信號進(jìn)行平滑加工以提高系統可靠性。經(jīng)實(shí)驗測試A/D轉換精度滿(mǎn)足要求。

　　本系統在室內走道和室外開(kāi)闊地對2401發(fā)射功率為0 dB、-5 dB、-10 dB、-20 dB的4個(gè)檔位進(jìn)行了點(diǎn)對點(diǎn)數據傳輸實(shí)驗，測試數據傳輸距離和誤碼率，系統供電分別為穩壓電源和干電池。室內走道傳輸距離為70 m，在無(wú)高大建筑物吸收和干擾的室外開(kāi)闊地，傳輸距離可達100 m左右。由于nRF2401芯片內置了CRC糾錯電路和協(xié)議，所以數據傳輸的可靠性高。實(shí)驗中，凡在可接收到數據的情形下，未出現接收數據出錯的現象。由于穩壓電源提供的電壓、電流穩定，能夠提高接收信號的質(zhì)量和距離。

　　本文提出的基于射頻收發(fā)芯片nRF2401實(shí)現工程機械儀表異地顯示的無(wú)線(xiàn)通信方案，實(shí)現了大型工程機械駕駛操控室儀表顯示無(wú)線(xiàn)通信的信號傳輸，可消除目前線(xiàn)纜傳輸固有的弊端，有效保證信號傳輸的質(zhì)量和可靠性。由于本系統為低功耗設計，使用兩節5號干電池即可保證長(cháng)期工作。經(jīng)測試，在100 m左右的通信距離內，該無(wú)線(xiàn)傳輸系統能夠穩定地實(shí)現數據的有效傳輸，具有低功耗、抗干擾能力強、易攜帶等優(yōu)點(diǎn)。目前擬在QY50B型汽車(chē)起重機和BBS5280JXFJP18型舉高噴射消防車(chē)上試用。此外，本系統的發(fā)射機和接收機均能工作在收發(fā)方式，并預留多種接口，方便擴展功能和組網(wǎng)，也適用于其他具有無(wú)線(xiàn)通信功能的應用場(chǎng)合。