隨著微電子技術的迅速發展，高性能MCU廣泛地運用在嵌入式系統中，完成數據的采集、分析、處理與通訊功能。有線模式下的數據通訊系統，由于受時空、環境等因素的制約，不能完全滿足所有條件下任務的執行，而通過無線數據傳輸方式代替有線數據傳輸，則能很好地解決此類問題。綜上論述，文中提出一種基于高性能MCU和nRF24L01的網絡化無線通信系統的解決方案，穩定可靠地實現數據傳輸，滿足各種條件的需要。

1 系統硬件設計

1．1 nRF24L01無線通訊模塊介紹

系統選用云佳科技的nRF24L01無線射頻收發模塊來實現子母機間的通訊，它使用Nordic公司的nRF24L01芯片開發而成，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，其具有如下性能特點：

(1)低工作電源電壓，且范圍廣1．9～3．6 V，體積小巧，能方便集成到各種電子器件。

(2)極低的功耗。當工作在發射模式下發射功率為-6 dBm時電流消耗為9 mA，接收模式時為12．3 mA。待機模式下電流消22μA，掉電模式電流消耗僅為900 nA。

(3)無線速率達到2 Mbit·s-1，SPI接口速率為0～8 Mbit·s-1，具自動應答機制，極大地降低丟包率。

(4)擁有自動重發功能、地址及CRC校驗功能。

(5)具有125個可選工作頻道，擁有很短的頻道切換時間，可用于跳頻。

nRF24L01引腳封裝如圖1所示。


 

1．2 STC12L5608AD芯片簡介

STC12L5608AD型MCU是宏晶科技新一代低電壓增強型8051單片機，該系列單片機具有如下特性：寬工作電壓(2．1～3．6 V)；具有1個時鐘／機器周期的高速性能，比普通8051快8～12倍，可用低頻晶振；自帶-8路10位AD轉換器等；加密性強，無法解密；超強抗干擾、高抗靜電、輕松過4 kV快速脈沖干擾(EFT測試)、寬溫度范圍(-40～85℃)；超低功耗，正常工作模式2．7～7 mA，空閑模式1．8mA，掉電模式功耗<0．1μA；能在系統編程等。

1．3 硬件接口電路

nRF24L01通過SPI接口與外部單片機進行數據交換，CE作為片選端，它與CONFIG寄存器的PWR_UP和PRIM_RX位組合用于選擇芯片的工作方式；CSN為芯片內部SPI硬件接口的使能端，低電平有效；SCK為SPI的時鐘輸入端，MOSI為SPI接口的數據輸入端，MISO為SPI接口的數據輸出端，IRQ為中斷請求端，與單片機的外部中斷1相連，當nRF24L01產生中斷后IRQ將置低，單片機檢測到此中斷后通過程序得知其與nRF24L01無線射頻模塊的數據收發情況。通過單片機與無線通訊模塊的硬件連接，從而實現模式控制和數據交換。圖2給出兩模塊的硬件接口設計。整個無線通訊系統由3個模塊組成。


 

2 系統軟件設計

2．1 數據包處理方式

將nRF24L01配置成增強型ShockBurst模式，使得雙向鏈接協議執行更為簡易有效。發送方要求終端設備在接收數據后有應答信號，以便發送方檢測有無數據丟失。一旦數據丟失則通過重新發送功能將丟失的數據恢復。它可以同時控制應答及重發功能而無需增加MCU工作量。nR F24L01配置為增強型的ShockBurst發送模式下時，只要MCU有數據要發送，nRF24L01就會啟動ShockBurst模式來發送數據。在發送完數據后nRF24L01轉到接收模式并等待終端的應答信號。如未收到應答信號，nRF24L01將重發相同的數據包，直到收到應答信號或重發次數超過SETUP _RETR_ARC寄存器中設置的值為止。如果重發次數超過了設定值，則產生MAX_RT中斷。只要收到確認信號，nRF24L01就認為最后一包數據已經發送成功，把TX FIFO中的數據清除掉并產生TX_DS中斷，IRQ引腳置高。


 

nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的數據，如圖3所示。每個數據通道使用不同的地址，但共用相同的頻道。即6個不同的nRF 24L01設置為發送模式后，可以與同一個設置為接收模式的nRF24L01進行通訊，而設置為接收模式的nRF24L01可以對這6個發射端進行識別。n RF24L01在確認收到數據后記錄地址，并以此地址為目標地址發送應答信號。在發送端，數據通道0被用作接收應答信號。

2．2 系統軟件設計流程

圖4為子模塊和主模塊程序設計流程圖，軟件開發環境為KeilC uVision3。


程序基本思路為子模塊配置為接收狀態，如成功接收到數據則進行EEPROM子程序操作，否則切換成發射模式，成功發送并接收到應答信號后再變成接收模式，進入下一次接收發射循環；主模塊設置為接收數據信息狀態，能與多路處于發射狀態的數據通道進行通訊，并從接收到的數據中判別數據通道口；接收信息后自動回復應答信號。通過切換接收發射狀態實現多點對單點的雙向無線數據通訊。

2．2．1 nRF24L01初始化程序

nRF24L01初始化程序包括引腳初始化和中斷初始化。引腳初始化使芯片工作在待機模式下(CE=0)，時鐘設置SCK低電平，片選不使能(CSN=1)，工作在串行輸入狀態(MOSI=0)；中斷初始化則使能外部中斷(EX1=1)，低電平觸發。

2．2．2 nRF24L01配置接收／發射模式

對芯片內部的特殊功能寄存器進行初始化操作。

通過對CONFID配置設定其工作模式，設置接收地址，接收有效數據寬度、選擇射頻通道、數據傳輸率、發射功率等參數。配置完成后，置高CE，準備接收數據包，如表1所示。


 

2．2．3 單片機內部EEPROM應用子程序


單片機內部EEPROM應用子程序進行扇區的擦除、寫入以及讀出功能，實現系統信息的讀取保存。


 

STC12L5608AD單片機內部有8個扇區，每個扇區512 Byte。在使用時，統一修改的數據放在同一個扇區。使用ISP／IAP功能，所使用的特殊功能寄存器為ISP_DATA、ISP_ADDRH、ISP_ADDRL、ISP_CMD、ISP_TRIG、ISP_CONTR。扇區寫入數據流程圖如圖5所示，扇區擦除以及讀操作流程與之類似。

3 結束語

介紹了利用高性能MCU和nRF24L01芯片設計的網絡化無線通訊系統，說明了其軟硬件設計要點。該系統已應用于某故障監測系統中，系統成本低、體積小、傳輸速率高、具有良好的通用性和可靠性，可供無線數據傳輸系統參考。