基于ARM單片機無線通信的設計制作

劉軾巍

【摘要】本文闡述了一個擁有高度可擴展性的無線通信系統。設計中主要包括Cortex-M3內核的ARM芯片STM32，無線通訊芯片nRF24L01+，用于DEBUG及系統實時工作狀態監視的RS232接口，可直接應用于工業現場的高可靠性RS485接口，放置大型數據表格以及存放系統工作日志的SD卡接口。該系統工作于無需授權許可的ISM即工業、科學醫用頻段（2.4GHz）上，擁有最大2Mbps的高吞吐率，可應用于布線難度較大的工業現場、要求嚴格電氣隔離的人機控制界面等等場合。

【關鍵詞】無線;STM32;射頻;ARM;nRF24L01+

1.前言

1.1 無線通信與有線通信的比較

現今無線通信越來越受到普及，并廣泛應用于日常生活中。做如下比較可說明此問題：一是成本廉價。二是建設工程周期短。三是適應性好。四是擴展性好。五是設備維護上更容易實現。

1.2 Cortex-M3內核的ARM對比傳統51單片機

本質上Cortex-M3內核的ARM在未使用操作系統時和51單片機的應用場合是相同的，但無疑前者比起后者主要具有如下優勢：

（1）成本——雖然單從芯片角度出發，51單片機會更為便宜，但由于ARM集成了大量標準外設及擴展總線，從系統整體角度出發，對于一個需要大量外設的系統而言，ARM的成本反而會由于51的投入，同時使用更少的器件有利于提高硬件系統可靠度。

（2）軟件調試——51單片機的軟件調試可通過拆卸芯片對其寫入程序后放回目標板觀察運行結果，個別51芯片也可通過串口燒寫程序。此種調試方式對于較為簡單的程序，可通過外置的LED小燈等一些外設觀察系統內的宏觀運行狀態，但對微觀的指令執行情況較為無力。

（3）存儲——主流ARM芯片往往內置有較大的FLASH ROM以及SRAM，在一些擁有大量數據表格或需要開辟較大緩沖區的應用中無疑比51擁有更大的優勢，且32-bit擁有4GB的尋址空間，無需和51單片機一樣超過64KB的代碼只能分頁存放并切換運行。

2.通信系統硬件電路組成及原理詳解

2.1 系統組成框圖（如圖1所示）

2.2 ARM處理器

系統中的ARM處理器為意法半導體的STM32F103ZET6，相關介紹如下：

（1）時鐘——外部可使用4MHz～16MHz的晶體為處理器提供時鐘源，由內部PLL將該時鐘倍頻至實際運行時所需要的頻率（72MHz），相關電路見圖2.1.1，振蕩電路的非門及反饋電阻已集成在芯片內，因此僅需2顆小電容即可實現，調整外部小電容的容值可微調8MHz時鐘源的頻率。

（2）存儲——STM32F103ZET6中內置了512Kbytes的FLASH，很多繁雜的算法均可采用“以空間換時間”，在FLASH中以放置多張大型數據表格快速查閱的方式進一步提高程序執行速度。

（3）GPIO——片上有PA～PG七組每組16個共計112個GPIO端口，絕大部分的端口都能忍受5V的輸入，且支持如下幾種GPIO模式：浮空輸入（默認）、上拉輸入、下拉輸入、模擬輸入、漏極開路輸出、推挽輸出、復用功能開漏輸出、復用功能推挽輸出。

3.通信系統軟件部分詳解

3.1 軟件部分采用事件觸發機制

各任務間通過消息隊列進行通信，這樣的程序最符合“高內聚，低耦合”，與外部硬件連接無關的部分可不作任何改動任意增刪軟件模塊，密切相關的部分則通過函數指針進行回調函數注冊，也可非常容易得完成移植，整體程序不存在任何諸如毫秒級的Delay（）等CPU空轉的情況，可通過宏打開/關閉部分冗余代碼用以監視系統運行狀態增強系統穩定性。

3.2 軟件功能描述

三臺（或更多）主機自身有兩個地址 ——單播地址與組播地址，單播地址可進行點對點的數據傳送，組播則可將多個主機編組，發送封包僅組內主機可見，廣播包則無需地址，所有主機均可同時收到，針對于一些諸如時鐘基準心跳包，可在其中一臺主機上實現較高精度的RTC，并通過其定期廣播時間信息，那么其他節點的時間就很容易在沒有RTC的狀態下動態修正系統時間。

3.3 部分軟件實現

DeviceNRFL01p類型為自定義的數據結構，包含了nRF24L01+的各種運行狀態，以及硬件對應的SPI口初始化函數指針，基于軟件分層思想，SPI接口驅動在此處已完全與nRF24L01+驅動程序隔離，只需在程序范圍內實現對應函數原型即可，初始化完SPI口之后會調用讀寫檢測函數，該函數已將系統預設的地址寫入nRF24L01芯片，因此eState狀態不為ERROR即芯片工作正常。

4.結語

本論文簡述了一個帶有全雙工無線通信功能的小系統。硬件設計均按工業級標準進行，PCB設計對于EFT及ESD問題都作了完備的防護措施。可直接應用在實際項目中，并根據實際需要選擇焊接/不焊接部分器件靈活選擇功能，針對要求特別苛刻的場合，也可根據實際情況增/刪部分功能后針對性得重新設計PCB，對應的軟件部分同樣為分層模塊形式，不使用的部分自檢未通過便會注銷后續設計的任務，無需再代碼中逐步整理，這對于萬行以上規模的代碼的維護將會提供巨大的便利。

參考文獻

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