摘  要： 為了滿足當(dāng)前短距離無(wú)線通信的市場(chǎng)需求,，采用PIC16F726和nRF24L01芯片設(shè)計(jì)短距離無(wú)線傳輸系統(tǒng),，給出了硬件設(shè)計(jì)方案和軟件設(shè)計(jì)流程。測(cè)試結(jié)果表明,，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了雙向通信,，性能穩(wěn)定可靠，實(shí)用性強(qiáng),，性價(jià)比高,。
關(guān)鍵詞： 短距離無(wú)線傳輸；PIC16F726,；nRF24L01,；雙向通信

　21世紀(jì)，短距離無(wú)線通信技術(shù)備受矚目,。短距離無(wú)線傳輸具有抗干擾能力強(qiáng),、可靠性高、安全性好,、受地理?xiàng)l件限制少,、安裝靈活等優(yōu)點(diǎn)[1]，在電子通信,、家電,、民用與軍工領(lǐng)域均擁有廣闊的市場(chǎng)。特別是戶外應(yīng)用場(chǎng)合,，不宜采用有線數(shù)據(jù)傳輸方式,，無(wú)線通信則以無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)占據(jù)先機(jī)。本文依據(jù)商業(yè)市場(chǎng)發(fā)展需求,，研究和設(shè)計(jì)了一種基于PIC單片機(jī)和無(wú)線射頻收發(fā)芯片實(shí)現(xiàn)的小成本,、低功耗,、對(duì)等通信且協(xié)議簡(jiǎn)單的短距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
　由于短距離無(wú)線傳輸對(duì)環(huán)境,、安全性有較高的應(yīng)用要求,，所以根據(jù)實(shí)際需求采用RF無(wú)線射頻收發(fā)一體芯片技術(shù)。相對(duì)于目前主流的IEEE802.11x無(wú)線局域網(wǎng)技術(shù),、藍(lán)牙技術(shù)等短距離無(wú)線通信技術(shù),，此技術(shù)具有通信距離遠(yuǎn)、功耗低,、抗干擾能力更強(qiáng),、自主開發(fā)程度高、開發(fā)成本低,、技術(shù)更成熟,、通信協(xié)議可自行定義、靈活度極高等優(yōu)點(diǎn)[2],。結(jié)合系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)需要,，選用了由Nordic公司研制的nRF24L01無(wú)線射頻收發(fā)芯片負(fù)責(zé)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。
1.1 設(shè)計(jì)思路
　系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要以單片機(jī)為核心,，控制無(wú)線通信模塊進(jìn)行發(fā)射與接收,，實(shí)現(xiàn)短距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)的雙向?qū)Φ韧ㄐ拧Ｕ麄€(gè)系統(tǒng)的功能模塊示意框圖如圖1所示,。

　系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想,，發(fā)射機(jī)端與接收機(jī)端均由PIC單片機(jī)和nRF24L01芯片組成。工作原理是：發(fā)射機(jī)端的PIC單片機(jī)在實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)的同時(shí),，根據(jù)控制平臺(tái)的控制指令完成無(wú)線數(shù)據(jù)信號(hào)的發(fā)射,，接收機(jī)端的PIC單片機(jī)完成無(wú)線信道與嵌入式平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)交換功能，嵌入式應(yīng)用平臺(tái)則是在接收到發(fā)射機(jī)信號(hào)的同時(shí),，通過(guò)接收機(jī)向發(fā)射機(jī)返回接收指令,。這種工作方式能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)短距離控制平臺(tái)對(duì)嵌入式平臺(tái)應(yīng)用環(huán)境的無(wú)線控制,。本設(shè)計(jì)主要針對(duì)如何實(shí)現(xiàn)PIC單片機(jī)與嵌入式應(yīng)用平臺(tái)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸,。
1.2 硬件設(shè)計(jì)
　主要針對(duì)短距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)的nRF24L01無(wú)線射頻收發(fā)模塊和PIC單片機(jī)控制器模塊的接口進(jìn)行設(shè)計(jì)。
1.2.1 nRF24L01無(wú)線射頻收發(fā)模塊
　nRF24L01是工作在2.4 GHz世界通用ISM頻段免使用費(fèi)的單片無(wú)線收發(fā)一體芯片,，將射頻發(fā)射接收,、GFSK調(diào)制解調(diào)、增強(qiáng)型ShockBurst機(jī)制,、125頻道,、CRC校驗(yàn)、穩(wěn)壓電路,、SPI接口等集成到單芯片中[3],。nRF24L01相比其他公司研制的常用無(wú)線收發(fā)芯片（例如Chipcon的CC400,，RFMD的RF2915，Bluechip的BCC48等）,，它可以直接接單片機(jī)串口使用,，數(shù)據(jù)無(wú)需曼徹斯特編碼，可直接傳輸串口數(shù)據(jù),，效率高,，發(fā)射電流消耗僅9.0 mA，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1或2 Mb/s,，收發(fā)天線合一,。因此,，在目前較為流行的無(wú)線通信芯片中,，無(wú)論是從使用的方便性、傳輸速度還是輸出功率等各個(gè)方面考慮,，nRF24L01都是一種比較理想的選擇,，其接口電路如圖2所示。

　nRF24L01是通過(guò)SPI接口與外部控制器交換數(shù)據(jù),，如果外部控制器沒有SPI接口,，可以用I/O控制口模擬。ANT1和ANT2輸出腳是給天線提供穩(wěn)定的RF輸出,。在輸出功率最大時(shí)（0 dBm）,，推薦使用負(fù)載阻抗15 ?贅+j88 ?贅，這樣,，通過(guò)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)匹配可以獲得較低的阻抗,。XC1和XC2接入16 MHz晶振，為了實(shí)現(xiàn)晶體振蕩器低功耗和快速啟動(dòng)的目的,，建議使用容值較小的電容,，考慮成本因素通常用7.0 pF的電容。
1.2.2 PIC單片機(jī)外圍接口電路設(shè)計(jì)
　系統(tǒng)選用了自帶SPI接口的PIC16F726單片機(jī),，便于與nRF24L0l進(jìn)行連接,。PIC16F726作為數(shù)據(jù)采集的控制器，它是Microchip公司專門針對(duì)中國(guó)市場(chǎng)最新推出的低成本,、8 bit閃存單片機(jī),，具有高性能的RISC CPU，內(nèi)含高精度內(nèi)部振蕩器,，低功耗,、節(jié)能休眠模式，支持1.8~5.5 V的寬工作電壓范圍,，25個(gè)I/O控制口,，11路AD通道,，帶有2個(gè)8 bit定時(shí)器（Time0、Time2）和1個(gè)16 bit定時(shí)器增強(qiáng)型Time1[4],。PIC單片機(jī)主要完成數(shù)據(jù)的處理,，向nRF24L01模塊發(fā)送數(shù)據(jù)并且接收對(duì)應(yīng)的接收機(jī)傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)。nRF24L01模塊主要是將發(fā)射機(jī)端單片機(jī)的待傳數(shù)據(jù)通過(guò)射頻信號(hào)發(fā)送到接收機(jī)端的nRF24L01模塊,，并能接收接收機(jī)端傳送過(guò)來(lái)的射頻信號(hào),，實(shí)現(xiàn)雙向通信。PIC單片機(jī)的外圍接口電路如圖3所示,。

　PIC16F726通過(guò)SPI接口控制nRF24L01,。nRF24L01的SCK引腳與單片機(jī)的RC0引腳相連，即Timer1的時(shí)鐘作為SPI時(shí)鐘,；nRF24L01的MOSI引腳與單片機(jī)的RC1引腳連接,，nRF24L01的MISO引腳與單片機(jī)的RC2引腳連接，實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)傳輸,；nRF24L01的IRQ與單片機(jī)的RB0相連,，作為中斷控制；nRF24L01的CSN引腳與RA4連接,，即Timer0的時(shí)鐘作為SPI的片選信號(hào),；nRF24L01的CE引腳與單片機(jī)的RA3相連，無(wú)線通信模塊的工作模式由PWR-UP,、PRIM-RX寄存器和CE決定（在后文的軟件實(shí)現(xiàn)部分中再做詳細(xì)描述）,。
　PIC16F726單片機(jī)采用5 V（VCC）電源供電，內(nèi)含復(fù)位電路,，16 MHz的晶振,，它決定了單片機(jī)的串口傳輸速率。SPBRG寄存器決定自由運(yùn)行的波特率定時(shí)器的周期,，異步模式下,，波特率周期的倍頻值由TXSTA寄存器的BRGH位決定，使用高波特率（BRGH=1）有助于降低波特率誤差,。在系統(tǒng)中,，由軟件設(shè)置SPBRG寄存器的值為16，SYNC=0且BRGH=1,，則無(wú)線模塊和單片機(jī)的通信速率為57 600 b/s,，與實(shí)際波特率Fosc/[16（n+1）]的值58 800 b/s僅有2.12%的誤差。單片機(jī)與上位機(jī)之間采用RS-232標(biāo)準(zhǔn)接口,，系統(tǒng)采用單電源電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232連接單片機(jī)和控制中心,。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為EIA/TIA-232E以及V.28/V.24通信接口設(shè)計(jì)，內(nèi)部有兩個(gè)電荷泵，將5 V轉(zhuǎn)換為+10 V,，為RS-232驅(qū)動(dòng)器提供工作電壓,，所以，系統(tǒng)只需要單一的5 V電源即可[5],。系統(tǒng)采用24LC01B型號(hào)EEPROM（電可擦可編程只讀存儲(chǔ)器）滿足系統(tǒng)即插即用,、多次修改參數(shù)的要求。24LC01B采用I2C接口方式,，輸入電壓范圍為2.5~5.5 V,，系統(tǒng)采用3.3 V電壓輸入，400 kHz高頻時(shí)鐘,，頁(yè)寫數(shù)據(jù)只需2 ms,，具有千萬(wàn)次擦寫的壽命周期并能夠保留數(shù)據(jù)超過(guò)200年[6]。
2 軟件設(shè)計(jì)
　軟件設(shè)計(jì)采用Microchip的MPLAB IDE作為本系統(tǒng)的編程開發(fā)工具,。正確的設(shè)置工作模式對(duì)于使用無(wú)線射頻收發(fā)芯片至關(guān)重要,，對(duì)于nRF24L01而言，它的工作模式設(shè)置主要包括發(fā)送,、接收,、待機(jī)和掉電四個(gè)狀態(tài),，這是由PWR-UP,、PRIM-RX、CE三個(gè)引腳共同決定,。具體配置如表1所示,。

　短距離無(wú)線傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)兩個(gè)部分。在提高系統(tǒng)性能和保證通信效率的前提下,，依據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的特性,，采用查詢和中斷兩種模式來(lái)分別完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。系統(tǒng)的發(fā)送與接收程序流程圖如圖4所示,。

3 系統(tǒng)測(cè)試
　將系統(tǒng)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)端分別通過(guò)RS232與PC機(jī)連接,，通過(guò)串口調(diào)試助手進(jìn)行模擬測(cè)試。經(jīng)過(guò)多組測(cè)試,，無(wú)誤碼情況,，可實(shí)現(xiàn)兩者之間的可靠通信。系統(tǒng)測(cè)試如圖5所示,。系統(tǒng)使用串口3進(jìn)行發(fā)射機(jī)數(shù)據(jù)傳輸模擬,，使用串口4對(duì)接收機(jī)進(jìn)行模擬。兩串口進(jìn)行通信,，其波特率,、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位與停止位需相互匹配，均定為57 600波特率,、無(wú)校驗(yàn)位,、8位數(shù)據(jù)位與1位停止位。通過(guò)串口對(duì)采集的數(shù)據(jù)“test dates：12 24 37……”等進(jìn)行傳輸,，從圖5測(cè)試的結(jié)果可以看出,，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了兩者之間的無(wú)線雙向通信。

　結(jié)合高效,、節(jié)能的政策,，本文利用IT相關(guān)技術(shù)，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)的任務(wù)要求,，實(shí)現(xiàn)了短距離雙向無(wú)線傳輸功能,，可應(yīng)用于各種嵌入式平臺(tái)。本設(shè)計(jì)采用的是低價(jià)格,、低功耗且易于開發(fā)的PIC16F726和nRF24L01芯片進(jìn)行設(shè)計(jì),，通用性強(qiáng)，具有廣泛的市場(chǎng)基礎(chǔ)與較高的推廣價(jià)值,。
參考文獻(xiàn)
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