采用nRF24L01和MSP430單片機的射頻傳輸模塊設計

引言

在裝備保障中需要對裝備壽命有清楚的了解，就需要對裝備各配套設備進行定期檢查，傳統的人工巡檢和記錄信息的方法存在遺漏檢查信息、不及時、數據登記復雜易錯及后處理繁瑣等問題[1]。射頻識別(Radio Frequency Identifcation，RFID)技術是一種先進的非接觸式自動識別技術，它利用射頻信號與空間耦合及傳輸特性來進行雙向通信，實現對物體自動識別與信息采集[2]。

針對某型戰車隨裝武器系統復雜、配備較多，傳統記錄方式難以有效詳實地反映各部件壽命狀況的現狀，本文利用RFID技術構建新型監測系統，代替傳統的巡檢方法。

系統需求與結構設計

本系統主要記錄戰車及配套裝備的動用信息，被測量信號主要是開關信號，分為以下兩類：

(1)工作狀態控制信號。工作狀態控制信號來自狀態轉換控制臺，是操作員控制戰車工作狀態的3路開關量。

操作員通過狀態轉換控制臺上的狀態轉換開關可設置戰車的3種工作狀態，車輛放置不使用時，操作員將開關置于S0，此時3路工作狀態控制信號均為高電平無效；車輛工作時，操作員首先將開關置于S1，自動功能檢測狀態AFT由高電平變為低電平，系統將自動檢查工作能力、工作準備情況以及故障情況。若出現故障，紅色指示燈發亮；若功能完好，綠色指示燈發亮；紅色指示燈發亮時，操作員將開關L置于S2，AFT由低電平變為高電平無效，手動功能檢測狀態MFT由高電平變為低電平，系統處于自動功能檢測狀態，操作員要具體確定哪一部分出現故障；綠色指示燈發亮，操作員將開關置于S3，MFT由低電平變為高電平無效，作業目標狀態POS由高電平變為低電平，系統處于作業目標狀態。

工作狀態控制信號如圖1示。其信號特點是：低電平有效，同一時刻只有一路信號為低電平；邏輯“0”

為0 V，邏輯“1”為3.5 V。

(2)允許啟動信號。允許啟動信號來自控制臺接口組合，記錄為裝備的打靶等信息。

當控制臺接口組合面板上的指示燈1發亮時，說明雷達已經鎖定目標，此時從控制臺接口組合傳來的允許信號ENABLE1由高電平變為低電平，黑匣子定時器開始定時，實時檢測啟動信號START1是否在60s內由高電平變為低電平，若檢測到低電平，說明操作員按下“啟動1”按鈕的時刻是正確的，否則為誤操作。操作員必須在60s內，操作“啟動”按鈕，產生啟動START1信號，進行導彈加電和發射，否則操作無效，雷達開始搜索下一目標。允許信號ENABLE2和啟動信號START2，用于控制雷達搜索另一目標，其功能原理與ENABLE1、START1相同。允許和啟動信號如圖2示，其特點如下：

① ALW1和STT1為一組，ALW2和ST2為一組，兩組之間相互獨立；

② 信號幅值：邏輯“0”為0 V，邏輯“1”為3.5 V；

③ 四路信號均為低電平有效。

根據要求，設計系統結構如圖3所示。

首先由采集電路采集各路開關量信號，觸發微處理器時鐘記錄時間信息，由發射電路編碼后發送，接收電路接收信號并將解碼后的信息傳送給上位機，MCU通過I2C總線[3]完成對采集過程的控制。

硬件設計

本設計中，數據采集端與接收端采用相同的單片機作為MCU控制單元，這樣減少了電路設計的開發量，并取得很好的兼容性。

MSP430單片機與nRF24L01的連接方式

M C U選用T I公司新一代基于閃存的超低功耗微處理器MSP430F5438，內含256KB+512B的FLASH和16KB的隨機存取數據存儲器RAM，可以將驅動及控制nRF24L01的程序寫入該閃存，無需外接EPROM，簡化了電路設計降低了系統功耗。并有達到4個通用通信接口，支持SPI、I2C通信[4]。

射頻模塊選用一款工作在2.4~2.5GHz通用ISM 頻段的單片無線收發器芯片nRF24L01，nRF24L01由片內硬件自動完成曼徹斯特編碼/解碼，內部集成NORDIC自己的 Enhanced Short Burst協議，可以實現點對點或是1對6的無線通信，無線通信速度可以達到2Mbps[5]。

此次設計主要用到了MSP430F5438兩個串口通信模塊USART0和USART1，USART0作為UART使用，提供異步通信，通過MAX3232電平轉換芯片提供RS-232接口和PC機進行通信[6]，USART1作為SPI使用，提供同步通信，主要是和nRF24L01之間進行命令和數據通信。

SPI(Serial Peripheral Interface)總線是由Motorola公司提出的一種同步串行外設接口只需片選CS，串行時鐘SCK，串行輸入SI，串行輸出SO等四條線就可以完成控制器與各種外圍器件的通訊[7]。

nRF24L01與MCU連接時采用單片機標準的SPI接口，把MSP430F5438的管腳P1.4、P3.0、P1.3、P3.3、P3.2、P3.1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，連接電路如圖4所示。

nRF24L01模塊電路

nRF24L01芯片的VCC腳接電壓范圍為1.9V~3.6V之間，而MSP430單

片機的I/O輸出為3.3V，因此I/O口線直接連接即可。VSS配置接地，在XC1、XC2間配置16MHz的外部晶振。射頻收發的天線部分使用PCB板天線，用一個4.7μF鉭電容并聯一個小電容進行去耦。nRF24L01模塊電路如圖5所示。

軟件設計

系統主要由2個方面的程序控制，包括采集端程序和發送接收程序。由于系統是針對裝備使用信息的采集，主要記錄裝備使用的時間區間；為了降低干擾對射頻傳輸的影響，設計了基于跳頻通信的抗干擾程序。

采集端程序設計

數據采集前端通過傳感器檢測采集對裝備的各項操作產生的開關信號，信號特點是低電平有效，時鐘開始計時，檢測到高電平信號停止計時，記錄時間區間；檢測到擊發類型信號時記錄時間節點。記錄完成將結果發送至MCU處理。主程序流程如圖 6所示。

按照程序模塊化設計的思路，設計相應子程序iic_start()、iic_stop()、slave_ACK()、slave_NOACK()、check_ACK()等，分別實現對I2C的啟動、中止控制和應答位的發送、中止和檢查等功能，進而實現對數據傳輸過程的控制。

基于跳頻通信的抗干擾設計

對于NRF24L01 的編程主要是通過命令控制線CE、CSN以及中斷信號IRQ共同完成的。發射節點在配置完成以后，CE置高，發射節點FIFO中的數據發出；接收節點成功接收到數據，IRQ置低；接收節點自動發射ACK，發射節點收到ACK后IRQ置低，表示發送成功。

2.4GHz屬于開放的ISM頻段，許多系統如WLAN、藍牙等都共用這一頻段，通信可能會受到外界環境較多的干擾[8]，為此，本系統設計了自適應跳頻通信方式來降低外界干擾帶來的影響。本設計中，擬選用6個頻道進行通信，這六個從2.4GHz到2.45GHz，相鄰2個信道間隔10MHz，當某個數據頻道出現干擾時，將跳到另一個頻道中進行通信。

為了實現跳頻，設計一個與數據頻道相關的數據結構，其中設置變量ch_Index表示從站當前使用的數據頻道在數據頻道數組中的索引，該變量初始化為0(2.4GHz)。數據采集端發送和接收端接收程序流程如圖7所示。

如果順利完成通信，采集端的MCU和發射模塊進入休眠狀態，一直到下一個采集周期的到來。如果沒有發送成功并且沒有達到最大重發次

數，采集終端將重發該幀數據；如果連續重發達到三次上限，修改數據頻道索引ch_Index，這樣將在另一個頻道進行數據通信，完成一次數據頻道跳頻。

c h _ I n d e x值的改變按照0-2-4-1-3-5-0的規律進行，這樣跳頻后與跳頻前的信道頻率間隔至少為20MHz，即跳頻后的通信頻道與受干擾頻道拉開了20MHz的頻率間距，并且如果該頻距仍然無法完全消除干擾的影響，節點會自動又進行一次跳頻，進一步拉開與干擾頻道的頻距。由于干擾通常在一定時間內只在某個頻道存在，6個數據頻道同時受到干擾的概率較小。因此，該方法可以有效地抵制干擾。

實驗分析

為了檢驗設備傳輸特性，在實驗室加入2.4GHz的噪聲信號，分別在不做跳頻和有跳頻算法的情況下，進行收發驗證。用示波器記錄發送波形如圖8所示。

圖8a中黃色信號是發射端CE，綠色信號是發射端IRQ，接收端沒有信號回饋，由于達到最大發射次數，CE置高后將近10ms IRQ才置低。證明發送失敗。圖8b中紫色信號是發射端CE，綠色信號是接收端IRQ，黃色信號是發射端IRQ，可以看出發射端使能CE后，發送端從發出數據到接收ACK之間的時間間隔只有3ms，可以判斷出通信成功，驗證了跳頻方式能夠有效抵制干擾。

結語

本文設計了一個車輛裝備動用信息檢測系統，給出了系統構成和實現方案。設計了采集端單片機控制的采集裝備動用信息的程序和基于跳頻通信的通信程序，用來抵制干擾，以順利完成通信。最后經過實驗驗證跳頻方式能有效抵制干擾，結果顯示符合裝備應用實際，具有應用價值。

參考文獻：

[1] 安治永，李應紅.射頻識別系統的關鍵技術及在物流管理中的應用[J].航空維修與工程.2005，3:50-52

[2] 馮海文，付博文.一種基于RFID的安全巡檢模型[J].沈陽工業大學學報.2009，31(4):462-465

[3] 何立民.I2C總線應用系統設計[M].北京:北京航空航天大學出版社，2002

[4] Texas Instrument.MSP430F5xx Family User’s Guide[Z].2009

[5] 迅通科技.單片2.4G無線射頻收發芯片nRF24L01使用指南[Z].2009

[6] 曹世華.主動式RFID閱讀器與車輛識別系統的設計與實現[D].北京郵電大學，2007

[7] 曹儐，王祥，程野.SPI控制器的ASIC設計與實現[J].數字通信，2010，2:94-96

[8] 楊劍.基于nRF905的無線射頻數據采集系統的開發與實現[D].中南大學，2007