基于射頻模塊nRF24E1的無線系統(tǒng)的開發(fā)

2.系統(tǒng)原理及流程

2.1工作原理和流程
該系統(tǒng)主要由程序下載單片機、無線模塊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）通過串行口與PC機連接，接收PC機下載的執(zhí)行程序，并存儲到SPI存儲器中，配置nRF24E1內(nèi)的51核。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，nRF24E1無線模塊上電后讀取SPI存儲器中的執(zhí)行程序，讀取前端采集的數(shù)據(jù)，并通過nRF24E1中的無線收發(fā)模塊實現(xiàn)無線發(fā)送。在遠程下載系統(tǒng)中，發(fā)送端將要在24E1模塊中執(zhí)行的程序在無線環(huán)境中傳輸，接收端運行結果在終端（PC、液晶屏等）上顯示，以適應動態(tài)變化要求。

系統(tǒng)模式圖如下：

圖1：系統(tǒng)模型

2.2硬件設計
在硬件上，本系統(tǒng)研制了SPI總線下載器，將24E1的模塊作為外插件附于其上。開發(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。兩個串口一個用作89S52控制PC向EEPROM傳遞程序，另一個與24E1相連，使得其接收到的或采集的數(shù)據(jù)可在串口顯示。控制射頻模塊與EEPROM進行數(shù)據(jù)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程。

在兩種應用的系統(tǒng)中，發(fā)射端的硬件設計是一致的，在接收端：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將傳感器與24E1模塊引出的I/O相連，由內(nèi)部8051內(nèi)核控制；遠程程序下載系統(tǒng)將運行結果通過串口或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(nèi)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(tǒng)的軟件分以下幾個部分：發(fā)送端的上位機軟件由VC開發(fā)，主要實現(xiàn)控制程序到HEX文件的轉換及通過串口和單片機89S52向EEPROM25AA320的下載。其中溫度采集系統(tǒng)的控制程序實現(xiàn)對24E1的配置、利用片內(nèi)51核進行溫度等的采集、并將采集到的數(shù)據(jù)通過射頻模塊發(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(tǒng)的控制程序實現(xiàn)24E1的配置和發(fā)送對接收端進行下載編程的程序；接收端將收到的程序導入負責程序執(zhí)行的4KB RAM中，對于它相連的設備進行控制或將運行結果顯示出來。

(1)上位機下載軟件

將轉換成HEX格式的文件向串口下載，同時在后臺運行燒入89S52的下載控制程序，不斷監(jiān)測串口是否有數(shù)據(jù)輸出，一旦發(fā)現(xiàn)則通過單片機的SPI總線下載到外部ROM。EEPROM25AA320是SPI接口的存儲器，有標準的控制信號SDO、SCK、SCI,在SCK脈沖的上升沿進行數(shù)據(jù)的寫入，每次寫入都要將25320的CS信號選通，同時將WP(寫保護)信號關掉，這同時也斷掉了25320到24E1方向的通路。寫入EEPROM的數(shù)據(jù)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程，也將程序存儲器與24E1之間的通路打開，nRF24E1通過SPI口與EEPROM進行連接。上電后，電路可在512BROM中存儲的引導程序的控制下，通過SPI總線將EEPROM中存儲的用戶程序傳送至nRF24E1的4KBRAM程序運行空間中，從而把控制的任務轉到用戶程序。這樣，24E1內(nèi)部的單片機就開始執(zhí)行控制程序的工作了。

（2）無線收發(fā)協(xié)議及流程

射頻模塊的無線傳輸有兩種模式：ShockBurstMode和DirectMode，24E1只支持前者，這種技術使用片上的FIFO的方式在8051MCU與射頻模塊之間進行數(shù)傳，保證了較低的數(shù)據(jù)傳輸率(10Kbps)和較高的數(shù)據(jù)發(fā)送速率（可達1Mbps），從而節(jié)省了能量。數(shù)據(jù)在空中傳輸?shù)膸袷饺缦拢?/P>

地址和數(shù)據(jù)字段的長度在配置24E1時均可定義,PRE-AMBLE和CRC校驗字段均為系統(tǒng)在成幀后自動加上。

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)送時定義了兩個通道的時鐘和一位數(shù)據(jù)；接收時受PWR_UP、CE、CS信號聯(lián)合控制，要嚴格遵守時序。

由于系統(tǒng)要設計一對多機的通信過程，所以要應用到跳頻技術。在傳統(tǒng)的調(diào)頻通信技術中，使傳輸頻率以突發(fā)脈沖序列為基礎進行跳變，不同突發(fā)脈沖序列上的數(shù)據(jù)采用不同的頻率進行傳送。在本套系統(tǒng)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（RF_CH）的兩個接收通道（channel）頻率相差8MHz，都在初始化時由相應的寄存器控制。

需要提出的是，在遠程程序下載系統(tǒng)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行控制的程序，有兩個辦法：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(nèi)再寫一段bootloader，將接收的程序引導入內(nèi)部的程序執(zhí)行區(qū)域，由8051運行并輸出結果。兩種方法都可行，開發(fā)人員可視具體系統(tǒng)而定。

3.創(chuàng)新點與完善

本論文完成的整個系統(tǒng)投入較低，作為無線傳輸設備，nRF系列單片機易于開發(fā)，通信協(xié)議簡單，只要掌握51的編程規(guī)范，很容易上手。另外，結合各類傳感器的使用，nRF系列單片可用于多種數(shù)據(jù)的采集；可以在此基礎上，方便地開發(fā)無線傳感網(wǎng)絡的節(jié)點?？捎密浖瓿商l通信，實現(xiàn)點對多點的數(shù)據(jù)傳輸。該系統(tǒng)用于無線編程下載，也有很大的應用前景，國外很多基于無線的編程控制系統(tǒng)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越多的應用，在此系統(tǒng)的基礎上，可用一塊CP2102（USB轉串口芯片）用USB代替串口，實現(xiàn)更大的應用價值。

日前，ZigBee(802.15.4)技術已成為無線傳輸?shù)臒狳c，它以低功耗、低成本、時延短、容量大等特點，被業(yè)界認為是最有可能應用在工控場合的無線方式。它同樣使用2.4GHz波段，采用跳頻技術。我們完成的基于nRF24E1的系統(tǒng)還可以參照ZigBee協(xié)議，進一步拓展通信協(xié)議，實現(xiàn)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》[M]北京：清華大學出版社2004
4孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡[M]北京：清華大學出版社2005