基于nRF24L01的無線水聲信號傳輸

2015-04-14 03:05:12蘇新彥姚金杰

火控雷達技術 2015年3期

于樂蘇新彥姚金杰

(中北大學太原 030051)

有線傳輸的傳輸距離受局限導致無線傳輸越來越受人們的青睞，隨之而來的是應用領域越來越廣，諸如:遙控遙測、生物信號采集、機器人控制、環境監測等。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望通過無線方案來解決［1］。本文介紹的是將無線傳輸運用到水環境中，將采集到的水聲信號無線傳輸給上位機。由于本設計僅僅將傳感器放入水中，節點置于水面上，所以不需要考慮射頻信號被衰減的情況。本系統采用Nordic 公司的射頻芯片nRF24L01，超低功耗單片機MSP430F1611 作為主控芯片控制射頻芯片以實現無線水聲信號的傳輸。

1 芯片簡介

1.1 nRF24L01 芯片簡介

nRF24L01 是一款工作在2.4 ～2.5 GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發器芯片。nRF24L01 無線收發芯片普遍用于無線門禁、工業傳感器、無線數據傳輸系統中［2］。輸出功率、頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置。工作速率0 ～2 Mb/s，外圍元件極少。

該芯片的封裝規格為6mm ×6mm ×0.8mm，36腳QFN6 ×6 封裝，RF 發射電流10.5mA，接收電流19mA［3］。它的主要特點如下:

(1)低工作電壓:1.9 ～3.6 V 低電壓工作;

(2)高速率:2 Mbps，由于空中傳輸時間很短，極大地降低了無線傳輸中的碰撞現象;

(3)多頻點:125 個頻點，滿足多點通信和跳頻通信需要;

(4)超小型:體積小巧，5 mm×5 mm;

(5)低功耗:當工作在應答模式通信時，快速地控制傳輸及啟動時間，極大地降低了電流消耗;

(6)低應用成本:nRF24L01 的SPI接口可以利用單片機的硬件SPI口連接或用單片機I/O 口進行模擬，內部有FIFO 可以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機［4］。

nRF24L01 有20 個引腳，其引腳及其功能如表1所示［5］。

表1 nRF24L01 引腳功能

1.2 MSP430F1611 芯片簡介

MSP430F1611 主要特點有:

(3)5 種省電模式;

(4)從等待方式喚醒時間:6μs;

(5)16 位RISC 結構，125ns 指令周期;

(6)12 位A/D 帶采樣保持內部參考源;

(2)

(7)雙12 位D/A 同步轉換;

(8)16 位定時器Timer_A 和Timer_B［6］。

2 硬件設計

無線傳輸主要是由單片機MSP430F1611 控制射頻芯片nRF24L01 實現的。此單片機將很多外圍模塊都整合到片內，適合用于開發和設計單片系統。如圖1所示為單片機MSP430F1611 與射頻芯片nRF24L01 的電路原理圖。

圖1 電路原理圖

如圖1 所述，nRF24L01 與MSP430F1611 主要通過6 個引腳相連:CSN(SPI的使能端);CE(數據發射、接收的使能端);MOSI(SPI數據主出從入端);SCK(SPI時鐘輸入);MISO(SPI數據主入從出端);IRQ(中斷輸出)。TDO/TDI連接一個S 來控制發送或接收模式。MSP430 的控制指令從nRF24L01 的MOSI引腳輸入，nRF24L01 的狀態和數據信息從MISO 引腳輸出送到MSP430。每個指令使用前CSN 需為低，使用后變為高。

3 軟件設計

本設計先將單片機設定到低功耗3，將nRF24L01 設定為先睡眠后喚醒的工作方式。首先先初始化MSP430F1611 的時鐘、定時器和SPI口，中斷喚醒nRF24L01 后，初始化nRF24L01，然后判斷TDO/TDI引腳是否為高電平，從而決定是否發射數據，若為發射模式，單片機就把數據發送給nRF24L01，當IRQ 為低電平時就讀取數據。如圖2所示為系統軟件設計流程圖。