基于單片機的搖桿信號無線傳輸程序設計

王 超，趙 亓

（內蒙古工業大學 機械學院，內蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

近年來，無線傳輸技術發展迅猛，被不斷地應用于機器人、無人機、深海探測等領域，而這些領域的應用大都要使用搖桿進行遠程控制，因而對搖桿信號無線傳輸技術的研究是極其必要的。

無線遙控和無線傳輸系統與有線設備相比提高了移動自由度，相對有線數據傳輸系統，其可以免去繁瑣的設計過程，并且安裝簡便，操控方便，便于移動，能更好地適應環境變化，提高了設備的靈活性并降低了維護成本。

本文通過編程實現無線數據的模數轉換與無線傳輸功能，為后期的數據利用奠定基礎。本設計所使用的是Nordic公司生產的NRF24L01＋單片射頻收發芯片，它具有功率小、開發簡單的特點，其使用的是微功率無線通信技術，利用數字信號單片射頻收發芯片，加上微控制器和少量外圍元器件即可構成專用或通用無線通信模塊。

1 整體方案設計

1.1 整體方案概述

搖桿信號的輸出大多為模擬量輸出，即電壓方式輸出，所以需要加設A/D轉換器，將模擬量轉換為數字量后，再把數據傳送到單片機系統。由于最終要實現無線數據的傳輸，因而選取了2個NRF24L01＋模塊，其中一片連接單片機、A/D和 搖桿，作為發送端；另一片連接單片機和上位機，作為接收端。

1.2 主要元器件選擇

本設計以兩個帶有STC89C52單片機的ST－3A學習板作為主機，其上帶有無線模塊的接口，并使用3.3V穩壓芯片，還帶有4個外接的5V輸出接線柱，方便連接實驗設備，而且減少了杜邦線的使用，使得實驗裝置布線簡單，簡化了實驗過程。

本設計使用YL－40模塊作為A/D轉換裝置，該模塊的核心是PCF8591芯片，它是一種具有I2C總線接口的A/D轉換芯片，僅依靠時鐘線SCL和數據線SDA就可以實現與主機的信息傳遞。

因為要使搖桿操作起來更加簡便和直觀，本設計使用了JoyStick搖桿模塊，其有X，Y兩路模擬輸出。

考慮到無線傳輸的距離，最終選擇了無線收發模塊NRF24L01＋，其核心芯片是Nordic公司生產的NRF24L01＋芯片，特點是成本低、體積小、傳輸速率高，適合實驗室使用。

2 模塊電路原理說明

PCF8591是單片、單電源低功耗8位CMOS數據采集器件，具有4路模擬輸入、4路模擬輸出和4個串行I2C總線接口。其中，VREF為A/D轉換的參考電壓，而I2C總線通過上拉電阻R9，R10接電源。PCF8591的3個地址引腳A0，A1和A2用于編程硬件地址，允許將最多8個器件連接至I2C總線而不需要額外的硬件。其器件的地址、控制和數據通過兩線雙向I2C總線傳輸。

本設計因手柄只有2路模擬輸出，所以只需要利用2個A/D轉換接口即可，因此，只使用AIN0和AIN1接口，其中AIN0和手柄S－Y口相接，AIN1與手柄S－X口相接。SCL和SDA分別接單片機的I/O口P20和P21。

從單片機控制的角度來看，對于NRF24L01＋，我們只需要關注以下6個控制和數據信號：

（1）CSN：芯片的片選線，CSN為低電平時芯片才會工作。

（2）SCK：芯片控制的時鐘線。

（3）MISO：SPI數據主入從輸端（Master input slave output）。狀態信息和數據信息是從MISO引腳輸出并送給單片機。

（4）MOSI：SPI數據主輸從入端（Master output slave input）。單片機的控制指令從MOSI引腳輸入。

（5）IRQ：中斷信號。無線通信過程中單片機主要通過IRQ與NRF24L01＋進行通信。

（6）CE：芯片的模式控制線。在CE為低電平的情況下，CE會協同NRF24L01＋的CONFIG寄存器共同決定NRF24L01＋的狀態。

3 程序功能實現

3.1 發送端

發送端流程如圖1所示。數據在傳輸過程中以3個字節為一組傳輸，Y向數據為第1個字節，X向數據為第2個字節，然后每組數以00H結尾。

圖1 發送端流程圖

應注意的是：本設計使用的數據都是實時數據，即發送端隨時產生不同的數據信息傳送到接收端送PC顯示。因此定義的發送數據Tx＿Buf不能使用code定義，因為code內的代碼都是下載到Flash中的，是修改不了的，所以只能發送固定的數值而不能發送實時數據。修改后，使用data來定義發送數據。

發送端主程序流程是：首先是對I2C進行初始化，然后初始化NRF24L01＋，并將其置為發射模式；由于設計實現的是數據的實時無線不間斷傳輸，因此在主程序中加入一個while（1）無限循環；同時，由于有2路輸出量和1路固定值要發送給接收機，經過多次程序試驗驗證后，采用switch開關語句最為合適，其中case 0為Y向輸出賦值發送，case 1為X向輸出賦值發送，case 2為00H固定值發送，當case后的數值大于2時，程序自動跳回case 0，這樣就保證每次循環只發送一個包含3個字節數據的數據組。

發送端主函數代碼如下：

3.2 接收端

接收端流程如圖2所示。

圖2 接收端流程圖

接收端主程序中nRF24L01＿RxPacket函數的作用是讀取狀態寄存器的值，并判斷是否接收到數據，如果接收到數據則讀取來自RX＿FIFO緩沖區的有效數據，放入Rx＿Buf中，讀取完成后要將 TX＿DS，RX＿DR，MAX＿PT都置為1。

接收端主函數代碼如下：

4 實驗結果

圖3為實驗結果顯示。從圖3中可以看到，初始化后，A/D模塊讀出的第一個值為80H，每次傳輸都要反應3次，即每次實驗開始傳輸數據的前3組數據為初始數據，數據無效。每次測數據時都會選擇一定時間關閉無線傳輸，這樣每次初始化的3組數據后的幾組數都代表一個大組，每個組代表一種狀態，總共有5大組：X和Y不動，即待機；X正向；X負向；Y正向；Y負向。這里的正負向參考搖桿模塊實物。

當搖桿待機時，即不做任何操作時X和Y方向分別為0xC0和0xC6；當把手柄向X正向推到底時，X向實際數據為0x1A，Y向數據無變化；同理，X負向最大時，實際數據為0xFC；Y正向最大角度時，對應實際數據為0x2C；Y負向最大角度時，對應實際數據為0xFD。

5 結論

本文利用現有的硬件設備，采用模塊化的編程方法，針對搖桿信號的無線傳輸程序進行了分析設計，編寫了主要的功能函數，實現了數據的轉換和無線傳輸功能，為后續的應用奠定了良好的基礎。

圖3 實驗結果

［1］譚曲江.基于nRF2401無線通信模塊設計的遙控出鋁手柄［J］.冶金自動化，2008（增刊2）：181－183.

［2］莢慶.基于nRF24L01的無線數據傳輸系統［J］.現代電子技術，2008，31（7）：68－70.