基于PIC16F726和nRF24L01的短距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張肖漢，陳 以，李明偉

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

21世紀(jì)，短距離無(wú)線通信技術(shù)備受矚目。短距離無(wú)線傳輸具有抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、安全性好、受地理?xiàng)l件限制少、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)[1]，在電子通信、家電、民用與軍工領(lǐng)域均擁有廣闊的市場(chǎng)。特別是戶外應(yīng)用場(chǎng)合，不宜采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式，無(wú)線通信則以無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)占據(jù)先機(jī)。本文依據(jù)商業(yè)市場(chǎng)發(fā)展需求，研究和設(shè)計(jì)了一種基于PIC單片機(jī)和無(wú)線射頻收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)的小成本、低功耗、對(duì)等通信且協(xié)議簡(jiǎn)單的短距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于短距離無(wú)線傳輸對(duì)環(huán)境、安全性有較高的應(yīng)用要求，所以根據(jù)實(shí)際需求采用RF無(wú)線射頻收發(fā)一體芯片技術(shù)。相對(duì)于目前主流的IEEE802.11x無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù)、藍(lán)牙技術(shù)等短距離無(wú)線通信技術(shù)，此技術(shù)具有通信距離遠(yuǎn)、功耗低、抗干擾能力更強(qiáng)、自主開(kāi)發(fā)程度高、開(kāi)發(fā)成本低、技術(shù)更成熟、通信協(xié)議可自行定義、靈活度極高等優(yōu)點(diǎn)[2]。結(jié)合系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)需要，選用了由Nordic公司研制的nRF24L01無(wú)線射頻收發(fā)芯片負(fù)責(zé)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 設(shè)計(jì)思路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要以單片機(jī)為核心，控制無(wú)線通信模塊進(jìn)行發(fā)射與接收，實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)的雙向?qū)Φ韧ㄐ拧Ｕ麄€(gè)系統(tǒng)的功能模塊示意框圖如圖1所示。

圖1 短距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)的功能示意框圖

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，發(fā)射機(jī)端與接收機(jī)端均由PIC單片機(jī)和nRF24L01芯片組成。工作原理是：發(fā)射機(jī)端的PIC單片機(jī)在實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的同時(shí)，根據(jù)控制平臺(tái)的控制指令完成無(wú)線數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)射，接收機(jī)端的PIC單片機(jī)完成無(wú)線信道與嵌入式平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換功能，嵌入式應(yīng)用平臺(tái)則是在接收到發(fā)射機(jī)信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)接收機(jī)向發(fā)射機(jī)返回接收指令。這種工作方式能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)短距離控制平臺(tái)對(duì)嵌入式平臺(tái)應(yīng)用環(huán)境的無(wú)線控制。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)PIC單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用平臺(tái)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 硬件設(shè)計(jì)

主要針對(duì)短距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)的nRF24L01無(wú)線射頻收發(fā)模塊和PIC單片機(jī)控制器模塊的接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。

1.2.1 nRF24L01無(wú)線射頻收發(fā)模塊

nRF24L01是工作在2.4 GHz世界通用ISM頻段免使用費(fèi)的單片無(wú)線收發(fā)一體芯片，將射頻發(fā)射接收、GFSK調(diào)制解調(diào)、增強(qiáng)型ShockBurst機(jī)制、125頻道、CRC校驗(yàn)、穩(wěn)壓電路、SPI接口等集成到單芯片中[3]。nRF24L01相比其他公司研制的常用無(wú)線收發(fā)芯片 （例如 Chipcon 的 CC400，RFMD 的 RF2915，Bluechip 的BCC48等），它可以直接接單片機(jī)串口使用，數(shù)據(jù)無(wú)需曼徹斯特編碼，可直接傳輸串口數(shù)據(jù)，效率高，發(fā)射電流消耗僅 9.0 mA，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 1或 2 Mb/s，收發(fā)天線合一。因此，在目前較為流行的無(wú)線通信芯片中，無(wú)論是從使用的方便性、傳輸速度還是輸出功率等各個(gè)方面考慮，nRF24L01都是一種比較理想的選擇，其接口電路如圖2所示。

nRF24L01是通過(guò)SPI接口與外部控制器交換數(shù)據(jù)，如果外部控制器沒(méi)有SPI接口，可以用I/O控制口模擬。ANT1和ANT2輸出腳是給天線提供穩(wěn)定的RF輸出。在輸出功率最大時(shí)（0 dBm），推薦使用負(fù)載阻抗15 Ω+j88 Ω，這樣，通過(guò)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)匹配可以獲得較低的阻抗。XC1和XC2接入16 MHz晶振，為了實(shí)現(xiàn)晶體振蕩器低功耗和快速啟動(dòng)的目的，建議使用容值較小的電容，考慮成本因素通常用7.0 pF的電容。

圖2 nRF24L01接口電路圖

1.2.2 PIC單片機(jī)外圍接口電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用了自帶SPI接口的PIC16F726單片機(jī)，便于與nRF24L0l進(jìn)行連接。PIC16F726作為數(shù)據(jù)采集的控制器，它是Microchip公司專門(mén)針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)最新推出的低成本、8 bit閃存單片機(jī)，具有高性能的RISC CPU，內(nèi)含高精度內(nèi)部振蕩器，低功耗、節(jié)能休眠模式，支持1.8～5.5 V的寬工作電壓范圍，25個(gè) I/O控制口，11路AD通道，帶有 2個(gè) 8 bit定時(shí)器（Time0、Time2）和 1個(gè)16 bit定時(shí)器增強(qiáng)型Time1[4]。PIC單片機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的處理，向nRF24L01模塊發(fā)送數(shù)據(jù)并且接收對(duì)應(yīng)的接收機(jī)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。nRF24L01模塊主要是將發(fā)射機(jī)端單片機(jī)的待傳數(shù)據(jù)通過(guò)射頻信號(hào)發(fā)送到接收機(jī)端的nRF24L01模塊，并能接收接收機(jī)端傳送過(guò)來(lái)的射頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙向通信。PIC單片機(jī)的外圍接口電路如圖3所示。

圖3 PIC單片機(jī)外圍接口電路原理圖

PIC16F726通過(guò) SPI接口控制 nRF24L01。nRF24L01的SCK引腳與單片機(jī)的RC0引腳相連，即Timer1的時(shí)鐘作為SPI時(shí)鐘；nRF24L01的MOSI引腳與單片機(jī)的RC1引腳連接，nRF24L01的MISO引腳與單片機(jī)的RC2引腳連接，實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸；nRF24L01的IRQ與單片機(jī)的RB0相連，作為中斷控制；nRF24L01的CSN引腳與RA4連接，即Timer0的時(shí)鐘作為SPI的片選信號(hào)；nRF24L01的CE引腳與單片機(jī)的RA3相連，無(wú)線通信模塊的工作模式由PWR-UP、PRIM-RX寄存器和CE決定（在后文的軟件實(shí)現(xiàn)部分中再做詳細(xì)描述）。

PIC16F726單片機(jī)采用 5 V（VCC）電源供電，內(nèi)含復(fù)位電路，16 MHz的晶振，它決定了單片機(jī)的串口傳輸速率。SPBRG寄存器決定自由運(yùn)行的波特率定時(shí)器的周期，異步模式下，波特率周期的倍頻值由TXSTA寄存器的 BRGH位決定，使用高波特率（BRGH=1）有助于降低波特率誤差。在系統(tǒng)中，由軟件設(shè)置SPBRG寄存器的值為 16，SYNC=0且 BRGH=1，則無(wú)線模塊和單片機(jī)的通信速率為 57 600 b/s，與實(shí)際波特率 Fosc/[16（n+1）]的值58 800 b/s僅有2.12%的誤差。單片機(jī)與上位機(jī)之間采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口，系統(tǒng)采用單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232連接單片機(jī)和控制中心。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為 EIA/TIA-232E以及 V.28/V.24通信接口設(shè)計(jì)，內(nèi)部有兩個(gè)電荷泵，將5 V轉(zhuǎn)換為+10 V，為RS-232驅(qū)動(dòng)器提供工作電壓，所以，系統(tǒng)只需要單一的5 V電源即可[5]。系統(tǒng)采用24LC01B型號(hào)EEPROM（電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器）滿足系統(tǒng)即插即用、多次修改參數(shù)的要求。24LC01B采用I2C接口方式，輸入電壓范圍為2.5～5.5 V，系統(tǒng)采用3.3 V電壓輸入，400 kHz高頻時(shí)鐘，頁(yè)寫(xiě)數(shù)據(jù)只需2 ms，具有千萬(wàn)次擦寫(xiě)的壽命周期并能夠保留數(shù)據(jù)超過(guò)200年[6]。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用Microchip的MPLAB IDE作為本系統(tǒng)的編程開(kāi)發(fā)工具。正確的設(shè)置工作模式對(duì)于使用無(wú)線射頻收發(fā)芯片至關(guān)重要，對(duì)于nRF24L01而言，它的工作模式設(shè)置主要包括發(fā)送、接收、待機(jī)和掉電四個(gè)狀態(tài)，這是由PWR-UP、PRIM-RX、CE三個(gè)引腳共同決定。具體配置如表1所示。

表1 nRF24L01工作模式配置

短距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)兩個(gè)部分。在提高系統(tǒng)性能和保證通信效率的前提下，依據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的特性，采用查詢和中斷兩種模式來(lái)分別完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。系統(tǒng)的發(fā)送與接收程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)發(fā)送與接收程序流程圖

3 系統(tǒng)測(cè)試

將系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)端分別通過(guò)RS232與PC機(jī)連接，通過(guò)串口調(diào)試助手進(jìn)行模擬測(cè)試。經(jīng)過(guò)多組測(cè)試，無(wú)誤碼情況，可實(shí)現(xiàn)兩者之間的可靠通信。系統(tǒng)測(cè)試如圖5所示。系統(tǒng)使用串口3進(jìn)行發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)傳輸模擬，使用串口4對(duì)接收機(jī)進(jìn)行模擬。兩串口進(jìn)行通信，其波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位與停止位需相互匹配，均定為57 600波特率、無(wú)校驗(yàn)位、8位數(shù)據(jù)位與1位停止位。通過(guò)串口對(duì)采集的數(shù)據(jù)“test dates：12 24 37……”等進(jìn)行傳輸，從圖5測(cè)試的結(jié)果可以看出，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩者之間的無(wú)線雙向通信。

圖5 系統(tǒng)測(cè)試

結(jié)合高效、節(jié)能的政策，本文利用IT相關(guān)技術(shù)，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的任務(wù)要求，實(shí)現(xiàn)了短距離雙向無(wú)線傳輸功能，可應(yīng)用于各種嵌入式平臺(tái)。本設(shè)計(jì)采用的是低價(jià)格、低功耗且易于開(kāi)發(fā)的PIC16F726和nRF24L01芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，通用性強(qiáng)，具有廣泛的市場(chǎng)基礎(chǔ)與較高的推廣價(jià)值。

[1]戴佳，戴衛(wèi)恒.51單片機(jī)C語(yǔ)言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]宋海波.基于RF無(wú)線射頻芯片的通信技術(shù)在分布式網(wǎng)絡(luò)傳感器中的應(yīng)用[D].吉林：吉林大學(xué)，2006.

[3]Nordic.nRF24L01 Product Specification[Z].Nordic Corporation，2004.

[4]PIC16F72X/PIC16LF72X數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].Microchip Technology Inc.2009.

[5]MAX232 中文資料[Z].[2012-06-01]http：//wenku.baidu.com/view/65bf19a1284ac850ad02427d.html.

[6]24LC01B DateSheet[Z].[2012-06-01]http：//wenku.baidu.com/view/7228502ded630b1c59eeb5c1.html.