(状态字数据帧)基于nRF2401的无线数据传输系统00

基于 n RF2401 的无线数据传输系统 王 　博 ,李 　迅 ,马宏绪 (国防科学技术大学 , 湖南省长沙市 410073) 【摘 　要】　介绍了一种利用无线数字传输芯片和单片机构成的无线数据传输系统 ,讨论了系统 的硬件电路设计和软件设计 ,以及无线数字传输芯片在突发传递模式下通过单片机的控制进行无线 数据传输的原理 ,设计了在突发传递模式下可实现半双工通信的通用电路 ,并讨论了无线数字传输芯 片初始配置和数据发送程序开发的关键技术。运行明 ,该系统控制方便、工作稳定 ,能实现可靠的 无线数据传输。 关键词 :无线数据传输系统 , 单片机 , nRF2401 芯片 中图分类号 :TN919. 72 收稿日期 : 2004205219 0 　引 　言 在监测系统中 ,数据从采集设备到处理终端 ,监测 控制指令从处理终端到采集设备 ,均需经过传输过程 这一重要环节。当数据采集点处于运动状态 ,或者所 处的环境不允许铺设电缆 ,采集设备必须与终端设备 分离 ,此时只能通过无线方式进行数据传输。 本文介绍的无线数据传输系统 ,应用 ATMEL 公司 的 AT89C52 单片机控制 NORDIC公司的无线数字传输 芯片 nRF2401 ,通过无线方式进行数据双向远程传输 , 两端采用半双工方式通信 ,两端数据传输模块完全通 用。该系统使用灵活、成本低廉 ,可方便地嵌入到无线 监测系统中。 1 　n RF2401 芯片工作原理 无线数字传输芯片 nRF2401 为本系统核心部件 , 芯片工作频段为2 . 4 GHz～2 . 5 GHz ,工作电压为 1. 9 V～3. 6 V ,工作温度为 - 40 ℃～ + 85 ℃,有多达 125 个频道可供选择 ,最高通信速率 1 Mbit/ s ,工作参 数全部通过芯片状态字配置。 nRF2401 提供掉电状态 ,在没有数据通信时可降 低芯片功耗。具有突发传递和直接传递两种工作模 式。突发传递模式应用在片缓冲器 , 以低速率向 nRF2401 写入待发数据 ,以高速率无线传输 ,尽量降低 功耗。直接传递模式与传统 RF 器件工作模式一致。 1. 1 　nRF2401 引脚功能 芯片引脚排列见图 1。 各引脚具体功能如下 :VSS- PA、VSS 为参考接地 端 ;VDD 为电源端 ,接 + 3. 3 V 直流电源 ;VDD- PA 为功 率放大 + 1. 8 V 电源输出端 ;ANT1、ANT2 为天线接口 端 ;XC1、XC2 为晶振端 ; IREF 为参考电流端 ,通过 22 kΩ电阻接地 ; PWR-UP 为上电端 ;CE 为工作状态使能 端 ;CS 为片选端 ,控制器通过对 nRF2401 的 PWR-UP、 CE和 CS引脚状态组合设置 ,控制 nRF2401 的主工作 方式 ,当状态组合为 1、1、0 ,1、0、1 或 1、0、0 时 ,芯片分 别处于激活、配置或保持方式 ,当 PWR-UP 置 0 时 ,芯 片处于掉电状态 ;CLK1、CLK2 为通道 1、2 时钟信号端 , 由控制器提供 ,在突发传递模式下 ,控制器在时钟上升 沿由 DATA 引脚向 nRF2401 写入数据 ,在下降沿从 nRF2401 的 DATA 引脚读出数据 ;DR1、DR2 为通道 1、2 接收数据就绪信号端 ;DATA、DOUT 为通道 1、2 数据 端 ,控制器与 nRF2401 由 CLK、DR 和 DATA 组成的三 线接口交换传输的数据 ,通道 1 可接收和发送数据 ,通 道 2 只能接收数据。 图 1 　芯片引脚排列 　 1. 2 　nRF2401 状态字 nRF2401 具有 144 位状态字。控制器将 nRF2401 设为配置方式 ,然后由通道 1 向 nRF2401 写入状态字 ·71· 第 30 卷第 8 期 2004 年 8 月 　　　　　　　　　　　　　　 　　　电 子 工 程 师 　ELECTRONIC ENGINEER　　　　　　　　　 　　　　　　　 Vol. 30 No. 8 　Aug. 2004 的配置值 ,写时高位在前。配置方式下控制器写状态 字的过程与激活方式下向 nRF2401 写入数据的过程完 全相同 ,都经由 CLK、DR 和 DATA 组成的三线接口完 成。 各状态字位功能如下 :位 143～122 为测试保留 ; 位 121～120 为发送闭环 PLL ;位 119～112 为通道 2 数 据段长度 ;位 111～104 为通道 1 数据段长度 ;位 103～ 64 为通道 2 硬件地址 ;位 63～24 为通道 1 硬件地址 ; 位 23～18 为地址段长度 ;位 17 为校验段长度 ,值为 1 是 16 bit ,为 0 是 8 bit ;位 16 为校验使能 ,值为 1 是校 验有效 ,为 0 是无效 ;位 15 为启用通道数 ,值为 1 是两 通道接收 ,为 0 是单通道接收 ;位 14 为通信模式 ,值为 1 表示工作于突发传递模式 ,为 0 表示工作于直接传 递模式 ;位 13 为通信速率 ,值为 1 是 1 kbit/ s ,为 0 是 250 kbit/ s ;位 12～10 为晶振频率 ,值为 011 时频率 是1 6 MHz ; 位 9～ 8为输出功率 ,值为 1 1时功率是 0dBm ; 位7～1为工作频段 ,设值为 X ,则通道 l 为 2 400 MHz + X ×1. 0 MHz ;位 0 为工作状态 ,值为 1 表 示处于接收状态 ,为 0 表示处于发送状态。 1. 3 　nRF2401 数据帧格式 nRF2401 在突发传递模式下的帧格式见图 2。 图 2 　nRF2401 在突发传递模式下的帧格式 　 　　PRE2AMBLE为数据包头 ,可设为 4 bit 或 8 bit。它 的值与 ADDRESS第 1 位有关。当 ADDRESS 第 1 位为 0 时 ,包头取值为“01010101”,反之则为“10101010”。 一帧数据从 ADDRESS 到 CRC 最多包含 256 bit。AD2 DRESS为接收方通道硬件地址段 ,可设定为 8 bit～40 bit ,只有符合本机硬件地址的数据帧才会被接收。 CRC 为数据校验段 ,可设定 8 bit 或 16 bit 校验位。 PLYLOAD 段为待发送数据段 ,长度为帧长度减去 AD2 DRESS段和 CRC 段的长度。 发送数据时 ,控制器将数据写入 nRF2401 ,控制其 将数据按帧格式打包无线发送 ;接收数据时 ,nRF2401 一旦检测到符合本机硬件地址的数据帧 ,便将数据帧 解包 ,DR 信号置 1 提请控制器读取数据。 2 　硬件电路设计 系统硬件电路图见图 3 ,nRF2401 工作于突发传递 模式 ,使用通道 1。 图 3 　系统硬件电路 　 　　将AT89C52 的 P2. 2、P2. 1 和 P2. 0 配置成通用 I/ O 引脚 , 与 nRF2401 CE 、CS 和 PWR-UP 连接 , 控制 nRF2401 的主工作方式。 系统上电时 ,AT89C52 首先置 nRF2401 为配置方 式 ,对 nRF2401 状态字进行配置 ,此时指示灯 D1、D2 和 D3 全亮。随后置 nRF2401 为激活方式 ,接收状态 , D1、D2 和 D3 全暗。P2. 5、P2. 4 和 P2. 3 也配置成通用 I/ O 引脚 ,与 nRF2401 DR1 、CLK1 和 DATA 连接 ,进行 数据的收发。当需要发送数据时 ,AT89C52 置 CE 为 1 ,激活 nRF2401 的数据处理。接收方通道硬件地 址和发送数据组成的数据包以 P2. 4 模拟的时钟写入 nRF2401 ,随后 AT89C52 置 CE 为 0 ,激活 nRF2401 的无 线发送过程 ,发送期间 D1 亮 ,发送完毕切换回接收状 态 ,D1 暗。如果 nRF2401 检测到符合本机硬件地址的 数据帧 ,便将数据帧解包 ,DR1 信号置 1 提请 AT89C52 读取数据。AT89C52 检测到 DR1 高电平后 ,D2 亮 ,接 收数据以 P2. 4 提供的时钟从 nRF2401 读出。当数据 软校验正确时 ,D3 亮。接收完毕 ,D2、D3 暗。电路采 用 MAX813 看门狗 ,防止程序跑飞。 ·81· ·通信技术·　　　　　　　　　　　　　　　电 子 工 程 师　　　　　　　　　　　　　　　2004 年 8 月 3 　软件设计 程序图如图 4 所示。 图 4 　程序流程 　 按照硬件电路设计 ,系统软件编程的基本思路是 , 系统上电时初始配置 nRF2401 状态字 ,随后进入激活 方式。本系统只需对状态字后的 120 bit 进行配置 ,其 值 为 0x500800d0dddddd00dddddddd836f05。配 置 后 nRF2 4 0 1的通道 1 数据段长度 8 bit , 地址段长度 32 bit ,通道 1 硬件地址 0xdddddddd ,使能位 16 校验 段 ,单通道接收 ,突发传递模式 ,通信速率 1 Mbit/ s ,晶 振频率 16 MHz ,输出功率 0 dBm ,工作频段 2 402 MHz , 接收状态。 控制器循环监测系统状态 ,当有数据要发送 ,控制 nRF2401 发送数据 ;当接收数据就绪 ,从 nRF2401 读出 数据。接收数据时 ,为确认数据的正确性 ,在使能位 16 校验段的同时 ,增加程序数据软校验功能。 nRF2401 初始配置函数定义如下 : void nRF2401-powerup-config(void) { 　int i ,j ; 　unsigned char config- data[15 ] ,variable1 ; 　D1 = 0 ; 　D2 = 0 ; 　D3 = 0 ; 　/ / 3 个指示灯全亮 　config- data[0 ] = 0x50 ; 　config- data[1 ] = 0x08 ; 　config- data[2 ] = 0x0 ; 　config- data[3 ] = 0xd0 ; 　config- data[4 ] = 0xdd ; 　config- data[5 ] = 0xdd ; 　config- data[6 ] = 0xdd ; 　config- data[7 ] = 0x0 ; 　config- data[8 ] = 0xdd ; 　config- data[9 ] = 0xdd ; 　config- data[10 ] = 0xdd ; 　config- data[11 ] = 0xdd ; 　config- data[12 ] = 0x83 ; 　config- data[13 ] = 0x6f ; 　config- data[14 ] = 0x05 ; 　/ / 状态字配置值 　PWR-UP = 1 ; 　CE = 0 ; 　CS = 1 ; 　/ / nRF2401 进入配置方式 　for (i = 0 ;i < 10 ;i + + ) 　{ 　　Delay500ns( ) ; 　} 　 / / CS到 DATA 至少延迟 5μs 　DATA = 0 ; 　for (i = 0 ;i < 15 ;i + + ) 　{ 　variable1 = config- data[ i ] ; 　for (j = 0 ;j < 8 ;j + + ) 　{ 　　CLK1 = 0 ; 　　DATA = variable1 & 0x80 ; 　/ / 配置时先写入 MSB 　　SomeNOP( ) ;SomeNOP( ) ; 　/ / 延迟 　　CLK1 = 1 ; 　　Delay500ns( ) ; 　/ / 时钟信号高电平保持至少 500 ns 　　CLK1 = 0 ; 　/ / 数据在 CLK1 上升沿写入 nRF2401 　　variable1 = variable1 < < 1 ; 　} } 　CS = 0 ; 　/ / CS置低使配置有效 　D1 = 1 ; 　D2 = 1 ; 　D3 = 1 ; 　/ / 3 个指示灯全暗 } nRF2401 数据发送函数定义如下 : void Transmit- data(unsigned char number) { 　int i ,j ; 　unsigned char variable2 ; 　unsigned char transmit- data[5 ] ; 　transmit- data[0 ] = 0xdd ; 　transmit- data[1 ] = 0xdd ; 　transmit- data[2 ] = 0xdd ; 　transmit- data[3 ] = 0xdd ; 　/ / 接收方通道硬件地址 　transmit- data[4 ] = number ; 　TXEN( ) ; 　/ / nRF2401 进入发送状态 　for (i = 0 ;i < 10 ;i + + ) ·91· 第 30 卷第 8 期 　　　　　　　　　　　王 　博 ,等 :基于 nRF2401 的无线数据传输系统 　　　　　　　　　　　·通信技术· 　{ 　　Delay500ns( ) ; 　　} 　 / / CE到 DATA 至少延迟 5μs 　for (i = 0 ;i < 5 ;i + + ) 　{ 　　variable2 = transmit- data[ i ] ; 　　for (j = 0 ;j < 8 ;j + + ) 　　{ 　　　CLK1 = 0 ; 　　　DATA = variable2 & 0x80 ; 　/ / 发送时先输入 MSB 　　　SomeNOP( ) ; SomeNOP( ) ; 　/ / 延迟 　　　CLK1 = 1 ; 　　　Delay500ns ( ) ; 　/ / 时钟信号高电平保持至少为 500ns 　　　CLK1 = 0 ; 　/ / 数据在 CLK1 上升沿写入 nRF2401 　　　variable2 < < = 1 ; 　　} 　} 　CE = 0 ; 　/ / CE置低使发送有效 　nRF2401-actting-config( ) ; 　/ / nRF2401 进入激活方式 ,接 收状态 } 4 　结束语 本文介绍了利用 AT89C52 和 nRF2401 芯片设计的 无线数据传输系统 ,成本低 ,体积小 ,应用灵活 ,具有良 好的通用性和可靠性 ,可供监测和工业控制系统电路 设计参考使用。 Wireless Data Transmission System Based on nRF2401 Wang Bo , Li Xun , Ma Hongxu (National University of Defence Technology , Changsha 410073 , China) 【Abstract】　This paper introduces a kind of wireless data transmission system implemented with a wireless digital transmission chip and a single chip microcomputer. The system hardware design and software design are dis2 cussed in detail , and the theory of wireless data transmission with wireless digital transmission chip under the Shock2 Burst mode is analyzed. The circuit was designed and the key features of programming for wireless digital transmis2 sion chip initial configuration and wireless data transmission are discussed. The running of system shows that it is easy to control and it works stably to perform reliable wireless data transmission. Keywords :data wireless transmission system , single chip microcomputer , nRF2401 (上接第 16 页) [3 ] 赵 　力. 语音信号处理. 北京 :机械工业出版社 , 2003. 56 ～58 [4 ] 加罗什金·А·И. 神经网络理论. 阎平凡 ,译. 清华大学出 版社 , 2002. 22～27 An Algorithm of the Linear Prediction Coding Based on the Neural Network Li Hao1 , Chen Yue2 (1. Xuzhou Institute of Engineering , Xuzhou 221008 , China ; 2. China University of Mining and Technology , Xuzhou 221008 , China) 【Abstract】　Speech signal compressing is an important part of multimedia communication technology , and the linear prediction coding technology is an important content of the parameter coding technique. The linear prediction coding(LPC) is one of the most important methods in speech processing system. The current auto - correlation method and the covariance method both have estimation error. Using the theory of linear prediction coding , we sug2 gest an improved linear prediction method based on the neural network. It is demonstrated by practice that this method not only ensures system stability but also enhances the accuracy of prediction. Keywords : neural network , speech coding , LPC , Hebbian rules ·02· ·通信技术·　　　　　　　　　　　　　　　电 子 工 程 师　　　　　　　　　　　　　　　2004 年 8 月