MSP430和nRF905的無(wú)線(xiàn)數傳系統設計

1 msp430簡(jiǎn)介

msp430是ti公司新推出的16位系列單片機，在電池供電的低功耗應用中具有獨特的優(yōu)勢，其工作電壓在1.8-3.6v之間，正常工作時(shí)功耗可控制在200μa左右，低功耗模式使可實(shí)現2μa甚至0.1μa的低功耗，msp430具有非常高的集成度，通常在單個(gè)芯片上集成有12位的a/d、比較器、多個(gè)定時(shí)器，片內usart、看門(mén)狗、片內振蕩器、大量的i/o端口及大容量的片內存儲器，一般單片就可以滿(mǎn)足大多數的應用需要。

在低功耗應用中設計程序時(shí)，最好采用以下方法：cpu在初始化完成后，處于低功耗工作模式，在有外部事件發(fā)生時(shí)喚醒進(jìn)入終端服務(wù)程序，完成后重新進(jìn)入低功耗模式，照此循環(huán)往復，可以最大限度地降低功耗。

2 nrf905簡(jiǎn)介

nrf905是挪威nordic公司推出的單片射頻發(fā)射器芯片，工作電壓為1.9-3.6v，32引腳qfn封裝（5mm×5mm），工作于433/868/915mhz3個(gè)ism頻道（可以免費使用）。nrf905可以自動(dòng)完成處理字頭和crt（循環(huán)冗余碼校驗）的工作，可由片內硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用spi接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低，以-10dbm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11ma，在接收模式時(shí)電流為12.5ma。

nrf905傳輸數據時(shí)為非實(shí)時(shí)方式，即發(fā)送端發(fā)出數據，接收端收到后先暫存于芯片存儲器內，外面的mcu可以在需要時(shí)再到芯片中去取。nrf905一次的數據傳輸量最多為32b。

2.1 nrf905的工作模式及設置

nrf905的兩種工作模式和兩種節能模式，分別為掉電模式、待機模式、shockburst tm接收模式和shockburst tm發(fā)送模式，這幾種模式由外界cpu通過(guò)控制nrf905的3個(gè)引腳pwr_up、trx_ce和tx_en的高低電平來(lái)決定，如表1所列。

外界mcu通過(guò)spi總線(xiàn)配置nrf905的內部寄存器，讀寫(xiě)數據時(shí)必須把其置為待機或掉電模式，nrf905在待機模式時(shí)功耗為40μa，在掉電模式時(shí)功耗為2.5μa。

2.2 nrf905的狀態(tài)輸出

nrf905有3個(gè)引腳用于狀態(tài)輸出，分別是：cd（載波檢測）、am（地址匹配）和dr（數據就緒），均為高電平有效，nrf905在處于接收模式時(shí)，若檢測到接收頻率段的載波，就置cd為高，接著(zhù)檢測載波數據中的地址字節，若與本身已配置的接收地址相同，則置am為高，若再檢測到接收數據中的crc校驗正確，則存儲有效數據字節，置dr為高。

此外，nrf905還有一個(gè)時(shí)鐘輸出引腳upclh，供用戶(hù)選擇使用。通過(guò)配置內部寄存器，可改變其頻率輸出，這一點(diǎn)在調試時(shí)很有用。無(wú)線(xiàn)系統至少需要一發(fā)一收兩個(gè)設備，調試時(shí)若出現問(wèn)題很難判斷是哪一方的故障?？梢酝ㄟ^(guò)修改nrf905的寄存器，用示波器觀(guān)察upclk輸出是否變化的方法，來(lái)判斷其硬件電路和cpu操作，nrf905的程序是否正確，從而判斷及設備是否工作正常。

2.3 nrf905的數據接口

外圍mcu通過(guò)spi總線(xiàn)配置nrf905的內部寄存器和收發(fā)數據，nrf905的spi總線(xiàn)包括4個(gè)引腳：csn（spi使能）、sck（spi時(shí)鐘）、miso（主入從出）和mosi（主出從入）。這里nrf905為從機，其spi的時(shí)鐘范圍很寬，可以從1hz-10mhz，因此mcu在寫(xiě)控制程序時(shí)不必苛求時(shí)間的準確度。

spi總線(xiàn)的每次操作都必須在使能引腳csn的下降沿開(kāi)始，csn低電平有效，總線(xiàn)上的數據在時(shí)鐘的上升沿有效，mcu對spi總線(xiàn)的操作不外乎兩種方式：讀和寫(xiě)，在進(jìn)行讀操作時(shí)，先把csn置低，然后在mosi數據線(xiàn)上輸出一個(gè)表示讀命令的字節，與此同時(shí)，nrf905會(huì )在miso數據線(xiàn)上輸出一字節表示狀態(tài)信息的數據，隨后輸出一地址字節，后面跟隨有效數據，在進(jìn)行寫(xiě)操作時(shí)比較簡(jiǎn)單，mcu先把csn拉低，然后在mosi線(xiàn)上輸出寫(xiě)命令字節和數據字節即可。

2.4 nrf905的寄存器配置

nrf905內部有5類(lèi)寄存器：一是射頻配置寄存器，共10個(gè)字節，包括中心頻點(diǎn)、無(wú)線(xiàn)發(fā)送功率配置、接收靈敏度、收發(fā)數據的有效字節數、結社地址配置等重要信息；二是發(fā)送數據寄存器，共32字節，mcu要向外發(fā)的數據就需要寫(xiě)在這里，三是發(fā)送地址，共4個(gè)字節，一對收發(fā)設備要正常通信，就需要發(fā)送端的發(fā)送地址與接收端的接手地址配置相同，四是接收數據寄存器，共32字節，nrf905接收到的有效數據就存儲在這些寄存器中，mcu可以在需要時(shí)到這里讀取，五是狀態(tài)寄存器，1個(gè)字節，含有地址匹配和數據就緒的信息，一般不用。

mcu若要操作這些寄存器，需遵循nrf905規定的操作命令，常用的有以下7種，都是1個(gè)字節；寫(xiě)射頻配置（0xh，“x”含4位二進(jìn)制位，該字節表示要開(kāi)始寫(xiě)的初始字節數）、讀射頻配置（1xh，“x”含4位二進(jìn)制位，該字節表示要從哪個(gè)字節開(kāi)始讀）、寫(xiě)發(fā)送數據（20h），讀發(fā)送數據（21h）、寫(xiě)發(fā)送地址（22h）、讀發(fā)送地址（23h）和讀接收數據（24h），關(guān)于寄存器的詳細信息可以參閱nrf905的數據手冊。

2.5 nrf905的工作過(guò)程

nrf905在正常工作前應由mcu先根據需要寫(xiě)好配置寄存器，或是按照默認配置工作，其后的工作主要是兩個(gè)：發(fā)送數據和接收數據。

發(fā)送數據時(shí)，mcu應先把nrf905置于待機模式（pwr_up引腳為高、trx_ce引腳為低）然后通過(guò)spi總線(xiàn)把發(fā)送地址和待發(fā)送的數據都寫(xiě)入相應的寄存器中，之后把nrf905置于發(fā)送模塊（pwr_up、trx_ce和tx_en全置高）數據就會(huì )自動(dòng)通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出去，若射頻配置寄存器中的自動(dòng)重發(fā)位（auto_retran）設為有，數據包就會(huì )重復不斷地一直向外發(fā)，直到mcu把trx_ce拉低，退出發(fā)送模式為止。為了數據更可靠地傳輸，建議多使用此種方式。

接收數據時(shí)，mcu先在nrf905的待機模式中把射頻配置寄存器中的接收地址寫(xiě)好，然后置其于接收模式（pwr_up=1、trx_ce=1、tx_en=0），nrf905就會(huì )自動(dòng)接收空中的載波，若收到地址匹配的和校驗正確的有效數據，dr引腳會(huì )自動(dòng)置高，mcu在檢測到這個(gè)信號后，可以改其為待機模式，通過(guò)spi總線(xiàn)從接收數據寄存器中讀出有效數據。

3 系統硬件設計

msp430的usart模塊可通過(guò)寄存器配置為通用異步串行口或spi模塊功能，這里配置為spi模塊，本系統選用的mcu是msp430f133，在硬件設計時(shí)把mcu的spi接口和nrf9051spi接口相連即可，另外再選幾個(gè)i/o口連接nrf9051輸出輸出信號，如圖1所示。

對于初次接接觸無(wú)線(xiàn)系統的設計者，因其射頻部分的元件采購，焊接和調試比較麻煩，可以選用ptr8000模塊，該模塊內核使用nrf905，硬件電路已經(jīng)焊好，十月起來(lái)相對方便一些。

4 控制程序設計

本系統設計的重點(diǎn)是控制nrf901的程序設計，大致分為兩個(gè)階段：首先是對nrf905進(jìn)行初始配置，配置完成后按 需要便攜書(shū)記的發(fā)送或接收程序。

4.1 初始化配置

第一階段應完成初始化配置，分以下幾項：

1）msp430的spi接口設置，msp4301異步串行接口和spi接口用同一個(gè)usart模塊，賊里需要用軟件配置為spi功能，本設計中spi配置為主機模塊、3線(xiàn)制和8位數據，程序源代碼參見(jiàn)子程序“spi_set五”。（編者注：程序源代碼見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn）

2）初始化nrf901的射頻配置寄存器，這些寄存器中有很多信息，必須根據實(shí)際情況進(jìn)行配置，本設計中nrf905外界16mhz晶體，“xof應配置為“011”；“pa_pwr”為發(fā)射功率，rx_red_pwr”為接收命靈敏度，可根據需要配置；另外還有發(fā)送地址、接收地址、發(fā)送數據和結社數據的長(cháng)度（字節數）可根據實(shí)際應用配置，注意賊組寄存器中海油接收時(shí)的實(shí)際地址，不而發(fā)送地址在其他單獨的寄存器中。

3）配制nrf901的發(fā)送地址，最多4個(gè)字節（32位），發(fā)送端的發(fā)送地址應于接受端設備的結社地址相同，在實(shí)際工作中nrf901可以自動(dòng)濾濾除地址不相同的數據，只有地址匹配且校驗正確的數據彩繪被接受，并存儲在接收數據寄存器中。

4.2 發(fā)送數據

使nrf905發(fā)送數據前需要msp430通過(guò)spi總線(xiàn)在待機模式便板待法數據填進(jìn)發(fā)送數據寄存器中，一次最多32b，然而把nrf9051“trx_ce”、“tx_en” 因該都置為高電平，數據就會(huì )自動(dòng)發(fā)送出去，本設計射頻配置寄存器中選定了自動(dòng)重發(fā)位，因此在“trx_ce”被置高的時(shí)間內數據一直在重復不斷地發(fā)。本程序中設計延時(shí)500ms，之后拉低“tr x_ce”因該，回到待機模式。

4.3 接收數據

msp430把nrf905的“trx_ce”引腳置為高電平，“tx_ce引腳拉為低電平后就刻蝕結社數據，本設計中cpu在設定的35s內一直判斷nrf9051“dr”引腳是否便變高個(gè)，若為高則證明接收到了有效數據，可以退出接收模式，弱一致沒(méi)有接受2到，待時(shí)間到時(shí)也退出接接受是模塊，退出后在待機模塊，cpu通過(guò)spi總線(xiàn)把nrf905內部的接收數據寄存器中數據讀出，即接收道德有效數據。

便攜接受部分程序時(shí)，有一點(diǎn)應該注意，很多資料中都沒(méi)有提到，就是cpu在mosi信號線(xiàn)上發(fā)出讀命令字節后“miso”信號線(xiàn)上nrf905會(huì )自動(dòng)返回一字節數據，本本身的狀態(tài)寄存器信息，后續的接收數據并不會(huì )自動(dòng)跟著(zhù)輸出，只有cpu在mosi上輸出一個(gè)字節（可以是隨意值），nrf905才會(huì )在“miso”上返回一個(gè)字節，cpu再發(fā)，nrf905再滿(mǎn)會(huì )，直到讀完為止。