基于单片机的无线网络通信模块设计全解

无线方案适用于布线繁杂或者不允许布线的场合，目前在遥控遥测、门禁系统、无线抄表、小区传呼、工业数据采集、无线遥控系统、无线鼠标键盘等应用领域，都采用了无线方式进行远距离数据传输。目前，蓝牙技术和Zigbee技术已经较为成熟的应用在无线数据传输领域，形成了相应的标准。然而，这些芯片相对昂贵，同时在应用中，需要做很多设计和测试工作来确保与标准的兼容性，如果目标应用是点到点的专用链路，如无线鼠标到键盘，这个代价就显得毫无必要。

本无线数据传输系统采用挪威Nordic公司推出的工作于2.4GHzISM频段的nRF24L01射频芯片。与蓝牙和Zigbee相比，nRF24L01射频芯片没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF24L01射频芯片比蓝牙和Zigbee所用芯片更便宜。系统由单片机STM32F103控制无线数字传输芯片nRF24L01,通过无线方式进行数据双向远程传输,两端采用全双工方式通信，该系统具有成本低，功耗低，软件设计简单以及通信可靠等优点。

1. 总体设计方案

无线通信技术迅速发展，有多种通讯方案可供选择，这里从实用，经济和实现等方面进行综合的考虑分析，选出合适的设计方案。

1.1 无线通信方式的比较和选择

方案一：采用GSM模块进行通信，GSM模块需要借助移动卫星或者手机卡，虽说能够远距离传输，但是其成本较大、且需要内置SIM卡，通信过程中需要收费，后期成本较高。

方案二：采用TI公司CC2430无线通信模块，此模块采用Zigbee总线模式，传输速率可达250kbps，且内部集成高性能8051内核。但是此模块价格较贵，且Zigbee协议相对较为复杂。

方案三：采用nRF24L01无线射频模块进行通信，nRF24L01是一款高速低功耗的无线通信模块。他能传输上千米的距离（加PA），而且价格较便宜，采用SPI总线通信模式电路简单，操作方便。

考虑到系统的复杂性和程序的复杂度，我们采用方案三作为本系统的通信模块。

1.2 微控制器的比较和选择

方案一：采用传统的ATS52单片机作为主控芯片。此芯片价格便宜、操作简便，低功耗，比较经济实惠,但是应用很局限，且要求较高时传统的ATS52单片机达不到要求。

方案二：采用TI公司生产的MSP430F149系列单片机作为主控芯片。此单片机是一款高性能的低功耗的16位单片机，具有非常强大的功能，且内置高速12位ADC。但其价格比较昂贵，而且是TPFQ贴片封装，不利于焊接，需要PCB制板，大大增加了成本和开发周期。

方案三：基于ARM公司Cortex-M3内核的STM32F103系列处理器，采用串行单线调试和JTAG，通过JTAG调试器你可以直接从CPU获取调试信息，从而使产品设计大大简化，主要应用于要求高性能、低成本、低功耗的产品。

根据系统需要，从性能和价格上综合考虑我们选择方案三，即用STM32F103作为本系统的主控芯片。

1.3 串行通信方式比较和选择

RS-485串行通信：该接口是采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗噪声干扰性好。具有多机通信能力，这样用户可以利用单一的RS-485接口方便地建立起设备网络。接口组成的半双工网络，一般只需二根信号线，所以它的接口均采用屏蔽双绞线传输，数据信号采用差分传输方式。但是由于电脑上没有485接口，所以设计的时候还需要一个485转232转换器，较为麻烦。

RS-232串行通信：它是无处不在的，每一台PC机都有一个或者更多的接口。在微控制器中，接口芯片使得将一个5V串口转换成RS-232变的更容易。连接距离可以达到50到100ft，大多数的外设接口都不会用于太长的距离。对于一个双向选择，只需要3条导线。一个并行连接器一般需要数据线，两条或者更多的控制信号线和几根接地线。它作为一种标准，与很多设备兼容，目前已经在很多的微机通信接口中广泛的被采用。所以这里采用该通信方式。

1.4 显示模块方案

方案一：选择主控为ST7920的带字库的LCD128来显示信息。128是一款通用的液晶显示屏，能够显示多数常用的汉字及ASCII码，而且能够绘制图片，描点画线，设计成比较理想的结果。

方案二：采用2.8寸TFT-LCD显示信息，这款LCD比较通用的字符液晶模块，能显示字符和数字等信息，且价格便宜，容易控制。

方案三：采用LCD7段数码显示管显示，其成本低，容易显示控制，但不能显示字符。

综合以上方案，方便我们对信息的观看和理解，我们选择了经济实惠的2.8寸TFT-LCD显示，可以直接显示数据、字符等。

2. 单元模块设计

2.1 nRF24L01射频模块电路设计

2.1.1 nRF24L01芯片概述

nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。 

nRF24L01主要特性如下： 

1）2.4GHz全球开放的ISM频段，免许可证使用。

2）最高工作速率2Mbps，高校的GFSK调制，抗干扰能力强。

3）125个可选的频道，满足多点通信和调频通信的需要。

4）内置CRC检错和点对多点的通信地址控制。

5）低工作电压（1.9~3.6V）。

6）可设置自动应答，确保数据可靠传输。

2.1.2 引脚功能及描述

nRF24L01的封装及引脚排列如图所示。各引脚功能如下：

图 1 nRF24L01引脚示意图

CE：使能发射或接收； 

CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01；

IRQ：中断标志位；

VDD：电源输入端； 

VSS：电源地；

XC2，XC1：晶体振荡器引脚； 

VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8V； 

ANT1,ANT2：天线接口；

IREF：参考电流输入。

2.1.3 工作模式

nRF24L01有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF24L01的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三个引脚决定，如表。

表格 1 nRF24L01工作模式

ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：

1）尽量节能；

2）低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；

3）数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nRF24L01的ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。

在ShockBurstTM收发模式下，nRF24L01自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。

配置模式：在配置模式，15字节的配置字被送到nRF24L01，这通过CS、CLK1和DATA三个引脚完成。

空闲模式：nRF24L01的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4MHz时工作电流为12uA，外部晶振为16MHz时工作电流为32uA。在空闲模式下，配置字的内容保持在nRF24L01片内。

关机模式：在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于1uA。关机模式下，配置字的内容也会被保持在nRF24L01片内，这是该模式与断电状态最大的区别。

2.2 STM32F103模块电路

2.2.1 电源电路

由于STM32直接由PC的USB供电，提供5V电源，所以不需要总电源，但nRF24L01模块需要低于3.5V电压，所以需要3.3V稳压电路，如下：

图 2 3.3V稳压电路

2.2.2 显示模块

2.8寸TFT-LCD与STM32连接原理图，如下：

图 3LCD原理图

2.2.3按键模块

在课程设计中用到了按键控制发送数据，按键原理图，如下：

图 4 按键连接原理图

2.2.4nRF24L01模块

nRF24L01模块有八个引脚需要连接到STM32，在这里由于用到了SPI1的四个引脚，直接与PA(4-6)引脚相连，设置GPIO复用功能就直接可用SPI1，无线模块的其他引脚分别与PA1和PA7相连，这样可以简化电路，如下：

图 5 nRF24L01原理图

3. 系统功能与软件设计

3.1 系统总结构与流程

系统主要包括两个分别具有收发功能的无线通信模块，每个模块均由STM32F103和无线收发芯片nRF24L01组成。系统的原理框图如图所示，发送时，单片机通过IO总线向nRF24L01写人控制命令及所需发送的数据，nRF24L01通过天线发送出去；接收时，单片机通过IO总线读取nRF24L01的工作状态，获取芯片相关信息及接收到的数据。两个收发模块之间相互通信，从而实现数据的无线传输。同时接收端将接收到的数据存储到扩展的片外数据存储器中。

系统结构框图：

图 6整体结构框图

根据功能不同，可以把整个系统分为STM32、nRF24L01无线通信模块、LCD显示模块、按键发送模块。

STM32主要功能是控制nRF24L01无线通信和LCD显示，按键中断控制nRF24L01无线模块发送数据，LCD显示模块显示数据。

当按下按键时，STM32控制LCD显示相应的数字，同时通过nRF24L01将该数字发送出去，另一个nRF24L01接收到该数字，经由STM32F103显示于LCD上。

系统的工作流程图如下：

图 7系统流程图

3.2 初始化程序的设计

系统在正式工作前，都要进行一些初始化工作。因此在系统启动之初，为了能够让STM32F103单片机各项功能合理有序的工作，需要进行一系列的初始化配置。本文系统设计中初始化程序主要包括微处理器STM32F103开发板的初始化程序、串行外设接口（SPI）的初始化程序、nRF24L01芯片的初始化程序、按键的初始化程序、LCD显示模块的初始化程序等。其中STM32F103单片机的初始化又包括GPIO口初始化配置、中断初始化配置等。

3.2.1 SPI的初始化配置

STM32F103的串行SPI接口置配置时，设SPI为主，串行时钟在SCK脚产生。配置程序软件及步骤如下：

1.配置nRF24L01的MOSI、MISO输入输出线和SCLK时钟线分别同CPU的SPI对应的外设线相连接，即SPI1与SCK（PA5/SPI1_SCK）、MISO（PA6/SPI1_MISO）、MOSI（PA7/SPI1_MOSI）、NSS（PA4/SPI1_NSS）相连接。

2.通过SPI_CR1寄存器的BR位定义串行时钟波特率分频值为16。

3.选择CPOL和CPHA位，定义数据传输和串行时钟的相位关系，选择了串行时钟的稳态，时钟悬空低电平，数据捕获于第一个时钟沿。

4.设置DRR位来定义为8位。

5.配置SPI_CR1寄存器的LSBFIRST位定义帧格式。

6.如果NSS引脚需要工作在输入模式，硬件模式中在整个数据帧传输器件应把NSS脚连接到高电平；在软件模式中，需设置SPI_CR1寄存器的SSM和SSI位，如果NSS引脚工作在输出模式，则只需设置SSOE位。

7.设置MSTR和SPE位在这个配置中，MOSI脚是数据输出，而MISO脚是数据输入。SPI串行口初始化流程图如3-5所示：

图 8 SPI初始化

3.2.2NVIC中断向量及EXTI外部中断配置

为了能让系统程序的执行效率更高，所以必须尽量使用STM32F103的中断响应函数来取代传统的循环判断方式。STM32F103中断配置以抢占优先级与响应优先级这两项为主要参数，抢占优先级代表了中断的嵌套关系，抢占优先级较高（数值较小）的中断能够在优先级较低的中断里面嵌套执行。响应优先级表示了当中断同时发生的时候STM32F103响应的顺序，数值较小的中断优先响应。

配置EXTI外部中断，EXTI_line0对应按键PA0，当按键按下触发中断，进入中断服务函数，延时消抖后清除中断标志位，开启片选后在服务函数中调用nRF24L01发送程序关闭片选。

图 9 按键及中断配置

3.2.3 nRF24L01工作模式配置及接收函数

当使用nRF24L01时需要对其接收或者发送模式进行配置，首先调用初始化SPI函数，然后配置寄存器使芯片工作于发送模式后拉高CE端至少10us，读状态寄存器STATUS，判断是否是发送完成标志位置位，清标志，清数据缓冲。工作模式配置可以参考数据手册在表1可以得到。配置过程如图：

图 10 工作模式配置及接收函数

3.2.4 LCD初始化配置

LCD初始化直接调用库函数，经过初始化LCD，设置背景颜色和设置字体颜色，过程非常简单，这里不做过多说明。

4. 设计总结

在本次无线通信应用系统设计中我收获了不少。在之前我都是学习了书本上

的东西，而很少将其应用到实际中去，虽然之前我也做过一些课程设计，但这次的课程设计更加从实。我从选取题目，画原理图到购买元器件再到焊接电路还有后面的调试测试工作我都一一的亲身经历并学到了不少课本上学不到的东西。以前我学习课本上的知识，觉得要将其应用到实际中会是一件较为轻松的事，也看其他人做的东西很有意义，但我自己实际去设计制作时，才发现了要做好一个作品是那么的不容易，自己去做时，才发现自己的种种不足，动起手来是那么的笨拙。老师常常给我们讲动手能力对我们学习电子的同学有多么重要，因此我也都一直想着要提高自己的动手能力，这次课程设计对我来说是一次难的机会，对于我提高自己的动手能力有很大的帮助。我不仅学到了怎样去改进、优化、美化电路布局，也掌握更多调试、测试电路的方法，也学到了不少怎样去选取合适的元器件的方法。在以后的学习工作做，我要不断的提高自己的动手能力，就要不断亲身去设计、自作实际的东西，这样才不会被时代所淘汰成为对社会有用的人。

5. 参考文献

[1] 赵亮、候国锐.单片机C语言编程与实例[M].北京：人民邮电出版社，2003年9月.

[2] 海创.无线收发模块nRF24L01开发包资料[J].海创电子科技,2010年.P99—P121.

[3] 张毅刚.单片机原理及应用[M].北京:高等教育出版社，2010年11月

[4] 康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）[M].北京：高等教育出版社,2010年.

[5] 康华光.电子技术基础数字部分（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2010年.

[6] 谢自美.电子线路设计.实验.测试[M].武汉:华中科技大学出版社,2009年7月.

[7] 赵海,赵杰,刘铮等.一种无线传感器网络节点的设计与实现[J].东北大学学报:自然科学版,2009年.P809—P812.

[8] 王秀梅.低功耗2.4GHz无线通信分系统的设计与实现[J]．中国数据通信,2004年.P57—P61.

[9] 李文忠,段朝玉.短距离无线数据通信[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006年.P178—P187.

附录

程序附录1按键配置

void key_int(void)

{

    /*******************gpio*******************/

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    EXTI_InitTypeDef   EXTI_InitStructure;

    NVIC_InitTypeDef  NVIC_InitStructure;

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_8;

  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;

  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    /*******************NVIC*******************/

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_0);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI0_IRQn;

  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;

  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;

  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI9_5_IRQn;

  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;

  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;

  NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

  NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    /*******************EXTI*******************/

    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line0;

  EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;

  EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;  

  EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;

  EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

    EXTI_InitStructure.EXTI_Line = EXTI_Line8;

  EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;

  EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Falling;  

  EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;

  EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);

}

程序附录2spi初始化

void GPIO_SEG(void)

{

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    SPI_InitTypeDef   SPI_InitStructure;

    RCC_PCLK2Config(RCC_HCLK_Div2);

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA|RCC_APB2Periph_SPI1|RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);//¿ªÆô¸´Óù¦ÄÜ

    SPI_Cmd(SPI1, DISABLE);            //±ØÐëÏȽûÄÜ,²ÅÄܸıäMODE

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_7;//5clk,7mosi

  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;

  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;//miso

  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;

  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_4;    //NSS

  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_10MHz;

  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

  GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_2 | GPIO_Pin_3;//2CE,3CS

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;//  IRQ

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;

    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    SPI_InitStructure.SPI_Direction = SPI_Direction_2Lines_FullDuplex;//Ñ¡ÔñÈ«Ë«¹¤

  SPI_InitStructure.SPI_Mode = SPI_Mode_Master;

  SPI_InitStructure.SPI_DataSize = SPI_DataSize_8b;

  SPI_InitStructure.SPI_CPOL = SPI_CPOL_Low;

  SPI_InitStructure.SPI_CPHA = SPI_CPHA_1Edge;

  SPI_InitStructure.SPI_NSS = SPI_NSS_Soft;

  SPI_InitStructure.SPI_BaudRatePrescaler = SPI_BaudRatePrescaler_16;

  SPI_InitStructure.SPI_FirstBit = SPI_FirstBit_MSB;

    SPI_InitStructure.SPI_CRCPolynomial = 7;

  SPI_Init(SPI1, &SPI_InitStructure);

    SPI_Cmd(SPI1, ENABLE);

    GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_2);//ʹÄÜ 24L01

    GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_3);//SPIƬѡȡÏû    

}

附录3 lcd显示

void lcd_int(void)

{

    STM3210B_LCD_Init();

    LCD_SetTextColor(Black);

    LCD_SetBackColor(Cyan);

    LCD_Clear(Cyan);

    LCD_DisplayStringLine(Line0,"2.4Ghz test");

}

图 11 lcd显示图