基于NRF24L01的无线通信系统

滨江学院

 课程论文

题    目    基于NRF24L01的无线通信系统设计               

            专    业__  通 信 工 程_____________

            学生姓名_____金 建 超__________ 

            学    号____***********___________

          二Ｏ  一二   年  十二 月  二十九 日

             基于nRF24L01的2．4 GHz无线通信系统设计

摘要：提出一种基于NORDIC公司生产的2．4 GHz无线收发芯片nRF24L01的短距离无线数据传输系统设计方法。介绍了系统的实现方案和硬件选型，该系统以ATmega8L为控制核心，PTR6000为无线传输模块；详细描述了硬件电路和软件程序设计方法，其中软件设计包括单片机主程序设计和PTR6000通信程序设计等；在硬件和软件设计的基础上，通过实验仿真验证了系统的正确性和可靠性，为系统实际应用提供了依据，最终达到了设计的要求。

关键词：nRF24L01；ATmega8L；无线通信

引言

2．4 GHz频段是全球开放的ISM频段，使用者无需申请许可证，给开发者和用户带来了很大方便；同时2．4 GHz无线射频技术采用专用的数据通道，并且搭载有跳频技术和数据加密，出现相似频段的可能性大大降低，从而减少了信号之间的干扰，保证了传输的稳定性。因为具有这些优点，蓝牙，ZigBee，Wi—Fi等短距离无线数据通信均工作在2．4 GHz ISM频段。在一般应用场合，以上这些技术显得过于复杂，其成本也过高，很难满足快速开发和低成本的要求。因此，目前迫切需要一种低成本、低功耗、能够快速开发应用的方案，来实现设备的无线连接。该文提出一种利用工作频率为2．4 GHz的无线收发芯片nRF24L01，进行短距离的点对点的无线通信系统设计方案。

1实现方案及硬件选型

1．1系统实现方案

系统的目的是在单片机的控制下实现数据的无线传输，硬件电路结构如图1所示。

            图1硬件电路结构

该系统主要以单片机为控制处理核心，由它完成对数据的采集处理以及控制数据的无线传输；电源电路提供系统所需各种电压；复位电路提供单片机所需的复位信号；晶振电路提供单片机的时钟信号；指示电路用来指示无线传输模块的工作状态；键盘电路用来发送各种类型的指令和数据；显示电路用来显示系统接收到的指令和数据。

1．2硬件选型

设计采用低成本、性能好的NORDIC公司生产的nRF24I_I)l芯片来完成。nRF24L01是单片射频收发芯片，工作在全球开放的2．4 GHz频段，有多达125个频道可供选择；可通过SH写人数据，并且有自动应答和自动再发射功能；芯片功耗非常低，以一6 dBm的功率发射时，工作电流只有9 mA，接收时工作电流只有12．3 mA；多种低功率工作模式使节能设计更方便，并且市场上有不少以它为核心的模块，便于购买。PTR6000就是以nRF24I／)l为核心的无线收发模块，它可以通过软件设定地址，同时设置6路接收通道地址，特别方便点对多点无线通信。其内部全面的寄存器配置，能够更全面地对无线数据传输的细节进行控制。所以本次的无线数传模块选用了PTR6000，它的硬件接口如图2所示。

在待机或掉电模式下，单片机通过SPI接口配置PTR6000的工作参数；在发射／接收模式下，单片机通过SP接口发送和接收数据；中断输出接I=IIRQAM可提供如下3种中断输出：发送完成中断TX—DR、接收完成中断RX DR、最大发送次数到MAX—RT。由于PTR6000的工作电压为1．9～3．6 V，AVR系列单片机也工作在低电压，并且具有SPI接口，正好满足了这一点要求；考虑到显示部分使用串行方式，所使用的I／O口不是很多，ATmega8L足以满足要求，为了降低设计成本，控制芯片选择ATmega8L。

2.硬件电路设计

2．1电源、复位和晶振电路设计

为了缩短开发周期，设计中由交流220 V转直流12 V的部分由市场上的电源模块来代替。虽然ATmega8L可工作在2．7～5．5 V宽电压，但是由于PTR6000工作在1．9—3．6 V，超出这个电压范围就有被烧坏的可能，因此在用三端稳压管7805将12 v转换为5 V后，还要用1117将5 V的直流电转换到3．3 V，这样PTR6000和Atmega8L都能正常工作。此外，为了适应移动测试的需要，设计的电路上还配备了电池槽，以便用2节干电池为系统提供3 V直流电压。设计采用简单的阻容复位电路，由于ATmega8L是低电平复位，电源经1 K电阻和22心电解电容接地，复位线从电阻和电容之间引出，接到ATmega8L的复位引脚。为了获得较高的振荡频率，设计采用了外接8 MHz晶体振荡器。由于AVR单片机独特的熔丝位设置，很容易造成单片机的锁死现象，因此在设置有关时钟的相关位时要格外小心。当然，即便是锁死了一般情况下还是可以通过外接有源晶振来解锁，并重新烧写正确的熔丝位。

2．2键盘和显示电路设计

设计的键盘采用3 X 3的矩阵式键盘，3条行线接到ATmega8L的PC3、PCA、PC5，3条列线分别接到PC0、PCI、PC2，并且3条列线带有上拉电阻。在每个上拉电阻的下面引出一条线，接到三输入与门74HCll的输人口，然后输出口接到单片机的外中断1引脚，这样设置的目的是用中断的方法来进行键盘的扫描读取。这一功能的实现主要还依靠软件的设计，使得在有按键按下时，能够通过74HCll产生一个中断信号，通知单片机现在有键按下。然后单片机会进入预先编写好的键盘处理程序进行键盘扫描，判断键值，并执行相应的操作。显示电路使用2个8段数码管，通过串转并的动态显示来实现，并且通过2个I／O口控制2个三极管来分别进行驱动和控制。用SPI口进行显示数据的串行输出是一个比较方便的方法，但是考虑到PTR6000通过单片机SPI口接收数据，有与显示冲突的可能。因此，设计时利用了PDl、PD4两个普通的I／O口来分别作为数据线和时钟线，模拟时序来实现数据的串转并显示。

3 软件设计

3．1主程序设计

设计采用的是汇编语言，内存不能自动分配，在主程序的开始，首先对ATmega8L的堆栈指针进行设置。在I／O空间，地址为$3E($005E)和$3D($005D)的2个8位寄存器构成了一个16位宽的堆栈指针寄存器sP，单片机上电复位后，堆栈寄存器的初始值为SPH=$00、SPL=$00。AVR的堆栈是向下生长的，即新数据推入堆栈时，堆栈指针的数值将减小。所以系统程序一开始就对堆栈指针寄存器进行了初始化，将sP的值设在数据存储器(sRAM)空间的最高处。设置堆栈指针后的程序中，对各I／0口的存储器进行配置，包括数据寄存器

PORTx、数据方向寄存器DDRx。随后的初始化设置中，对外中断的触发方式进行相应的设置。最初设计采用的是低电平触发方式，但是由于低电平容易造成重复触发，造成键值读取错误，因此在后续的程序设计中将其改成了下跳沿触发，这样只要键盘消抖工作做好，就能解决重复触发的问题。在点对点和点对多点的短距离通信中，每一方随时都有发送数据的可能，所以在主程序的PTR6000初始化部分中设置为接收方式，并对其相关地址通道进行了开通和自动应答设置，并配置了其地址的的长度且按指定长度对地址进行了配置。在主程序中还设置了PTR6000的中断允许标志位，当有数据接收中断、发送完成中断、最大发送次数中断产生时，在PTR6000的IRQ引脚产生一个低电平，触发单片机外中断0，进行相应的处理。

3．2键盘程序设计

由硬件电路设计可知，键盘程序是放在中断服务程序中的，而且是下降沿触发中断，这一点有关的I／O口设置和寄存器有关位设置在主程序中完成，在此不再作具体说明。在外中断1服务程序的开始，首先对键盘延时消抖，判断是否真的有键按下，如果判断确实有键按下则向下执行键值判断程序，否则，判定为错误中断，中断返回。该部分键盘判断程序是通过线反转法完成的，首先3行送高电平，3列送低电平，延时一个时钟周期后，读取管脚电平(PINC)，并且对读取的数据进行保存；然后3列送高电平，3行送低电平，延时一个时钟周期后，读取管脚电平(PINC)，并且对读取的数据进行保存。然后两次读到的数据只保留低6位，高位全部清零，因为键盘只用到了低6位。然后再把2个键进行位或，得到一个数值，通过对这个数值的判断来判定是哪一个键按下了。

3．3显示程序设计

显示程序设计总的思想是首先串行传送转换后的十位显示数码，然后选通十位，再进行适当延时后关闭。再串行传送转换后的个位显示数码，然后选通个位，进行适当延时后关闭。具体串行显示是这样实现的：首先把要显示码寄存器进行带进位移位，然后判断进位标志位C来向串行数据输出口送0或1，进行适当延时后，向串行时钟口送低电平，适当延时后送高电平，目的是产生一个上跳沿，把串行数据口的电平状态移入74HCl。这样连续传送8次，就将8位显示码送出

3．4 PTR6000通信程序设计

由于与RF协议相关的高速信号处理部分已经嵌入在模块内部，PTR6000可与各种低成本单片机配合使用，也可以与DSP等高速处理器配合使用。此系统中PTR6000可以进行半双工通信，所有通信基点都初始化为接收模式，等待命令。当收到数据后，进行相应的操作。并且同样可以进行数据的发送，在数据发送完成后又立即转换成接收状态，等待再次有数据的到来。PTR6000有6种工作模式如表1所示，其中PWR—UP和PRIM—RX是模块寄存器参数。

3．4．1接收程序设计

接收程序编写流程主要是在初始化的过程中，把本机设置成接收状态，这部分主要是在主程序的初始化配置的过程中完成的。具体的程序流程如下：①设置PTR6000的配置寄存器，把门R6000配置成允许数据接收完成中断、数据发送完成中断和最大发送次数到中断3个中断，当有以上3种中断中的任何一个产生时PTR6000的IRQAM引脚都产生一个低电平；②给EN RXADDR接收地址允许寄存器送数$01只开通数据通道0；并且通过给EN从送数$01允许数据通道0自动应答允许；③通过对SETUP AW配置，设置地址的长度为3个字节；并且在对数据通道0的地址寄存器RX ADDR P0的配置过程中把地址配置为$000000，在随后的设置中把数据速率设置为2 Mbps；④对接收缓冲寄存器清空，确保其能进入接收状态。最后CE送高电平，进入接收状态。

3．4．2发送程序设计

当有键按下时就要启动相应的发送程序，发送子程序是在外中断0中被调用的。具体的程序流程如下：①PTR6000的发送缓冲寄存器进行清空操作；②程序中接收结点地址(RX ADDR)、最大发送次数(ARC)和有效数据(TX—P皿)通过SPI接口写入PTR6000，在写入过程中对SPI中断标志位进行

监测，如果数据传送没有完成保持CSN为低；③配置寄存器PRIM—RX位设为低，把标志寄存器rl和数据寄存器r19的数据不断写入PTR6000的发送缓冲寄存器；④设置CE为高，启动发射。CE高电平持续时间最小为10肚s。若启用了自动应答模式，模块立即进入接收模式。

3．5 PTR6000中断服务程序设计

PTR6000的3种类型的中断都是通过INT0触发的，所以在程序的开始要对中断的具体来源进行判断。PTR6000中有一个状态寄存器(STATUS)，其中包括3种中断的标志位。在中断服务程序的开始首先向FrR6000发送一个空操作指令，此时返回单片机SPI数据寄存器SPDR的数据就是当前状态寄存器的数值。接下来对其3个中断标志位进行判断，判断是接收完成中断、发送完成中断还是最大发

送次数到中断，然后跳转到相应的服务程序部分。

4实验仿真

基于以上设计方案，对系统进行了实验仿真。在搭建相关硬件平台的基础上，通过对相关软件程序的调试，系统很好地实现了点对点的无线通信，实验证实，基于nRF24L01的2．4 GHz无线通信系统解决方案，可以实现小于10 m的短距离通信。此外还在2台计算机之间进行了不同格式、不同大小的文件的传输实验，其传输速率约为512 kB／S，具体结果如表2所示。通过提高单片机的晶振还可以加快文件的传输速度，最快可以达到2 Mb／s。

表2 2．4 GI-Iz无线通信系统文件传输速率对照表

5结束语

2．4 GHz无线通信是一项新兴的短距离无线通信解决方案，主要面向的应用领域是低速率无线个人区域网，典型特征是近距离、低功耗、低成本，主要适用于小型廉价设备的无线联网和控制。该文提出一种基于2．4 GHz无线收发芯片nRF24IDl的短距离无线数据传输系统设计方法，在实际应用时将系统作为一个模块可方便地移植，以便构建更为复杂的无线通信网络，可应用于无线抄表、工业数据采集系统、安全防火系统以及水文气象监控等领域，具有很高的实用价值。

                                    参考文献

[1]张克彦．AVR单片机实用程序设计[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2004．

[2] 高传善，毛迪林，曾袖．数据通信与计算机网络[M]．北京：高等教育出版社，2004，12．

[3] 王秀梅．低功耗2．4 GHz无线通信系统的设计与实现[J]．中国数据通信，2004(11)：57—61．

[4]