基于nRF24L01的無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統

　　1 nRF24L01芯片的介紹

　　nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段。工作電壓為1.9～3.6 V，有多達125個(gè)頻道可供選擇?？赏ㄟ^(guò)SPI寫(xiě)入數據，最高可達10 Mb／s，數據傳輸率最快可達2 Mb／s，并且有自動(dòng)應答和自動(dòng)再發(fā)射功能。和上一代nRF2401相比，nRF2401數據傳輸率更快，數據寫(xiě)入速度更高，內嵌的功能更完備。

　　芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊，并融進(jìn)了增強式ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有9 mA，接收時(shí)工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式)使節能設計更方便。

　　1.1 nRF24L01引腳介紹

　　芯片引腳排列見(jiàn)圖1。

　　各引腳具體功能如下：CE為發(fā)射和接收的使能端；CSN為SPI的使能端；SCK為SPI時(shí)鐘輸入；MOSI為SPI數據主輸從人端；MISO為SPI數據主人從輸端；IRQ為中斷輸出；VDD為電源端，接3 V直流電源；VSS為參考接地端；XC1，XC2為晶振端；VDD_PA給功率放大器供電1.8 V；ANT1，ANT2為天線(xiàn)接口端；IREF為參考電流端。

　　1.2 nRF24L01的指令結構

　　nRF24L01所有的配置字都由配置寄存器來(lái)定義，這些配置寄存器可通過(guò)SPI口訪(fǎng)問(wèn)。

　　1.2.1 SPI接口設置

　　SPI接口由SCK，MOSI，MISO及CSN組成。

　　(1)在配置模式下單片機通過(guò)SPI接口配置nRF24L01的工作參數。
　　(2)在發(fā)射或接收模式下單片機SPI接口發(fā)送或接收數據。

　　和SPI接口的指令共有8個(gè)，使用每個(gè)指令時(shí)必須使CSN變低，用完后將其變高。單片機的控制指令從nRF24L01的MOSI引腳輸入，而nRF24L01的狀態(tài)信息和數據信息是從其MISO引腳輸出并送給單片機的。利用SPI傳數時(shí)，他是先傳低位字節，再傳高位字節，并且在傳每個(gè)字節時(shí)是從高位字節傳起的。指令分別是；讀寄存器指令，格式是000A AAAA；寫(xiě)寄存器指令，格式是001AAAAA(A AAAA代表寄存器在內存中的地址；讀Payload指令；寫(xiě)Payload指令；清發(fā)射堆棧指令；清接收堆棧指令；發(fā)射數據再利用；空操作。

　　1.2.2 中斷
　
　　當nRF24L01的中斷源(TX_DS，RX_DR，MAX_RT)被置高時(shí)(TX_DS為發(fā)送成功標志位，RX_DR為接收數據成功標志位，MAX_RT為自動(dòng)重發(fā)超上限標志位)，就會(huì )使IRQ引腳置低?？梢韵驙顟B(tài)寄存器寫(xiě)1來(lái)清這些中斷標志位。通過(guò)設置CONFIG寄存器的某些位來(lái)屏蔽掉這些中斷源，默認情況下，這三個(gè)中斷源都是允許的。

　　1.2.3 內存區

　　下面介紹nRF24L01的內存區，一共24個(gè)寄存器，以下選取幾個(gè)重要的加以介紹。

　　0號寄存器：第7位是保留位；第6位到第4位分別是TX_DS，RX_DR，MAX_RT屏蔽位，置高能屏蔽相應的中斷源；第3位是CRC使能位；第2位是選擇CRC長(cháng)度；第1位是PWR_UP位，高電平為使芯片上電；第0位是發(fā)射、接收選擇位，高電平是發(fā)射，低電平是接收。

　　1號寄存器：第7和第6位是保留位，第5到第0位是使能通道5到通道0的自動(dòng)應答，高電平有效。

　　2號寄存器：第7和第6位是保留位，第5到第0位是使能接收通道地址5到地址0，高電平有效。

　　4號寄存器：第7位到第4位是設置自動(dòng)重發(fā)的時(shí)間，第3位到第0位是設置自動(dòng)重發(fā)的次數。

　　7號寄存器是狀態(tài)寄存器，第7位是保留位，第6位是RX_DR位(1：接收堆棧中有了數據)，第5位是TX_DS位(1：數據成功發(fā)送到接收方)，第4位是MAX_RT位(1：達到重發(fā)射上限，產(chǎn)生超時(shí)中斷)，第3到第1位是標志哪個(gè)通道接收數據，第0位是發(fā)射堆棧狀態(tài)位。

　　1.3 nRF24L01的功能描述

　　nRF24L01可以通過(guò)設置CE和狀態(tài)寄存器來(lái)選擇他的工作狀態(tài)，如表1所示。

　　配置為發(fā)射模式的nRF24L01將會(huì )利用增強式ShockBurst技術(shù)來(lái)發(fā)射數據包。發(fā)送設備在發(fā)完數據后將自動(dòng)轉為接收狀態(tài)來(lái)等待接收方的應答信號。若發(fā)送設備未接收到應答信號，他將自動(dòng)重發(fā)這包數據(自動(dòng)重發(fā)開(kāi)啟的情況下)直到接收這包數據或者重發(fā)次數超過(guò)了在寄存器SETUP_RETR_ARC設置的所允許的最大重發(fā)次數。如果是第二種情況，他將在STATUS寄存器里的MAX_RT位反映出來(lái)，并且給出中斷。

　　當nRF24L01收到應答信號時(shí)，他將認為該包數據成功發(fā)送到接收方，并把這包數據從發(fā)射堆棧中清除，同時(shí)IRQ變低，STATUS寄存器里的中斷標志位TX_DS置高。

　　用增強式ShockBurst技術(shù)來(lái)發(fā)射數據可以有以下好處：極大地降低了電流損耗；系統開(kāi)銷(xiāo)低；極大地降低了數據在空氣中的碰撞率。

　　2 系統設計

　　2.1 硬件設計

　　本系統采用的單片機是PIC16F877，將單片機的PORTC的0～5配置成通用I／O引腳，分別與nRF24L01的IRQ，CE，CSN，SCK，MOSI，MISO連接，控制nRF24L01的工作方式，采用單片機標準的SPI接口。系統上電時(shí)，PIC16F877首先對nRF24L01進(jìn)行寫(xiě)配置寄存器操作，然后使nRF24L01進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)，將要發(fā)送的數據寫(xiě)入nRF24L01，激活無(wú)線(xiàn)發(fā)射。然后檢測nRF24L01的IRQ引腳，由于關(guān)閉了自動(dòng)重發(fā)射功能，因此如果引腳電平變低，即說(shuō)明產(chǎn)生發(fā)送成功中斷，數據發(fā)送成功，然后從接收端讀出數據即可。

　　2.2軟件設計

　　程序流程圖如圖3所示。程序編程的基本思路是，系統上電首先配置nRF24L01的寄存器，本系統只對其中幾個(gè)寄存器進(jìn)行了重新配置，關(guān)閉自動(dòng)重發(fā)射功能是想對發(fā)送失敗次數進(jìn)行統計，其他的均采用默認值，如：通信速率2 Mb／s，輸出功率0 dBm等。

　　nRF24L01寫(xiě)配置子程序如下：

　　3 結 語(yǔ)

　　本文介紹了利用PIC16F877和nRF24L01芯片設計的無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統，成本低，體積小，傳輸速率高，具有良好的通用性和可靠性，可供監測和工業(yè)控制系統電路設計參考使用。