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基于ARM和nRF24L01的无线数据传输系统
作者：RFID世界网 收编
来源：网络
日期：2010-05-14 10:18:50
摘要：介绍了基于ARM和nRF24L0l的无线数字传输系统的硬软件设计。该系统已应用于微型飞行器的实时图像传输和遥测中。在实际应用中，可根据需要，将nRF24LOl组成一对一、一对多、多对多的结构。该系统还可广泛应用于无线测控、文件传输等领域。
引言
由于无线数据通信不用布线，快速布局，因此具有有线数据通信无法比拟的便捷性，在特殊场合具有不可替代性。然而，传统的由基本射频集成电路搭建的无线数据通信系统存在电路复杂，成本高，传输速率低，可靠性差等缺点。为此，Nordic公司推出一款工业级内置硬件链路层协议的低成本单芯片nRF24L01型无线收发器件。该器件采用GFSK调制，128个频点自动跳频，片内自动生成报头和CRC校验码，具有出错自动重发功能，这些特性使得由nRF24L0l构建的无线数据传输系统具有成本低，速率高，传输可靠等优点。
1 nRF24L01简介
nRF24L01工作于2．4~2．5 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Enhanced ShoekBurst技术。其中，输出功率、通信频道、自动重发次数等参数可通过编程设置。内置的SPI接口，其速率为0～8Mb／s，MCU通过SPI接口控制nRF 24L0l。nRF24L01的特点如下：①功耗低。能够在以一6 dBm的功率发射时，工作电流只有9 mA；在以0 dBm的功率发射时，工作电流仅11．3 mA；而在接收时，工作电流仅12．3 mA，因此具有掉电和空闲多种低功率工作模式。②体积小，采用QFN20封装。③供电电压为1．9~3．6 V，可方便集成到各种电子器件。
2 LPC214x简介
IPC214x系列是Philips公司的基于ARM7内核的高性能器件，与LPC213x系列器件相兼容，并增加了一些新功能，性能得到了大大的提升。LPC214x系列器件最大特色是内置2kB终端RAM的USB 2．0全速控制器，1个(LPC2141／42)或2个(LPC2144/46/48)10位A/D转换器，多个串行接口，包括2个UART、2个高速I2C总线、SPI和具有缓冲作用及可变数据长度的SSP。LPC214x系列器件采用单电源供电，具有上电复位(POR)和掉电检测(BOD)电路。相对于普通ARM7来说，LPC214x还提升了I／O端口的速度，并且内置8—40 KB的静态RAM和32~512 KB的高速Flash存储器；工作频率高达60MHz；采用超小型LQFP64封装。
3 系统硬件设计
该系统采用模块化设计，主要由LPC2144、nRF24L01、射频功放和天线模块组成。其中，射频功放采用台湾K一BEST公司的2.4 G双向功放模块。图2是系统总体设计图。上位机为PC机，LPC2144与nRF24L01连接，根据需要配置2．4 G功放和增益天线模块。如果配置0．5 W功放和高增益天线，则传输距离可达5~10 km。下位机为嵌入式平台，该嵌入式平台可以是单片机、ARM、DSP和FPGA，nRF24L0l可通过SPI接口直接与嵌入式平台连接。 图3给出LPC2144与nRF24L0l的硬件接口设计。配置LPC2144的P0．2、P1．19作为GPIO端口分别与nRF24L0l的CE和CSN连接；配置LPC2144的P0．4、P0．5、P0．6作为SPIO端口分别与nRF24L0l的SCK、MISO、MOSI连接：配置LPC2144的P0．16作为EINT0端口与nRF24L0l的IRQ连接。
4 系统软件设计
发送端LPC214x完成初始化后，把nRF24L01配置成PTX工作模式。若从上位机接收到数据，则启动nRF24L01发送数据。若发送成功，则产生TX_DS中断；若重发超限，则产生MAX_RT中断；若发送成功，则继续发送，否则进行出错处理。接收端LPC214x完成初始化后，把nRF24L0l配置成PRX工作模式。当正确接收数据时，nRF24L0l产生接收中断标志，LPC214x从nRF24L01读取数据并向下位机发送。图4给出软件流程图。软件开发环境为ADSl．2。
5．1 nRF24L01的初始化
nRF24L01通过SPI接口和外部控制器件如MCU、ARM、DSP进行数据交换，其SPI协议是MSB在前，LSB在后。如果要读写多个字节，先读写低字节。如果外部控制器件没有SPI接口，可用普通I／O接口模拟。这里选用带SPI接口且可方便地与nRF24L0l连接的LPC21440表l给出nRF24L0l的命令表。
通过SPI接口传入nRF24L01的第一个字节是命令字，nRF24L0l的各种命令字都只有一个字节，分为读寄存器、写寄存器、读数据接收缓冲区、写发送数据缓冲区等。在输入任意命令字的同时，MISO输出的都是STATUS寄存器的内容。nRF24L0l的数据传输模式有ShockBurst和Enhanced ShockBurst两种数据包。后者比前者多了一个确认数据传输的信号，保证数据传输的可靠性。该器件内部完成需要高速处理的RF协议，发送数据时只需将数据放入发送数据缓冲区，器件会自行产生前导字符和CRC数据，并将这些数据地址和地址信息、发送数据缓冲区的数据等组成一个数据包发送出去。图5给出两种模式的数据包格式。 现按后一种模式初始化。在配置为接收数据时，nRF24L01接收到数据包后，由硬件解析地址数据和信息数据，当接收到有效信息数据后，在IRQ引脚产生中断，并通知外部处理器读取数据。在配置为发送数据时，nRF24L0l发送数据包后，自动切换到接收模式已接收返回的确认信号，当收到确认信号后，IRQ引脚产生数据发送完成中断，如果没有握手信号返回，则表示发送失败，器件自动重新发送，如果重新发送的次数超过在ARC_CNT寄存器中的设定值时，会在IRQ引脚产生重发次数超限中断。MCU查询STATUS寄存器的值，即可判断是发送完成中断，还是重发次数超限中断。
当发送端nRF24L0l配置成PTX模式时，配置nRF24L01工作在后一种发送模式下，重新发送的等待时间为250μs，重新发送次数为10次，地址是TX_AW，输出功率为0 dBm，速度为2 Mb／s，并且使能发送完成和重发送次数超限两种中断，CRC校验位为2字节，nRF24L01处于POWER_UP状态。函数中WRITE_REG为写命令基地址0x20
当接收端nRF24L01模块配置成PRX模式时，配置nRF24L0l工作在接收模式下，地址是RX_AW，负载数据宽度是TX_PL_W，使能接收完数据中断，CRC校验位为2字节，nRF24L01处于POWER_UP状态。
5．2 nRF24L01的数据收发
(1)发送数据 当nRF24L0l模块配置成发送模式后，向发送FIFO输入数据即可启动传输。
(2)接收数据 当nRF24L0l模块配置成接收模式后，在接收到数据中断发生时，从接收FIFO读取数据。
6 结语
介绍了基于ARM和nRF24L0l的无线数字传输系统的硬软件设计。该系统已应用于微型飞行器的实时图像传输和遥测中。在实际应用中，可根据需要，将nRF24LOl组成一对一、一对多、多对多的结构。该系统还可广泛应用于无线测控、文件传输等领域。
由于无线数据通信不用布线，快速布局，因此具有有线数据通信无法比拟的便捷性，在特殊场合具有不可替代性。然而，传统的由基本射频集成电路搭建的无线数据通信系统存在电路复杂，成本高，传输速率低，可靠性差等缺点。为此，Nordic公司推出一款工业级内置硬件链路层协议的低成本单芯片nRF24L01型无线收发器件。该器件采用GFSK调制，128个频点自动跳频，片内自动生成报头和CRC校验码，具有出错自动重发功能，这些特性使得由nRF24L0l构建的无线数据传输系统具有成本低，速率高，传输可靠等优点。
1 nRF24L01简介
nRF24L01工作于2．4~2．5 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Enhanced ShoekBurst技术。其中，输出功率、通信频道、自动重发次数等参数可通过编程设置。内置的SPI接口，其速率为0～8Mb／s，MCU通过SPI接口控制nRF 24L0l。nRF24L01的特点如下：①功耗低。能够在以一6 dBm的功率发射时，工作电流只有9 mA；在以0 dBm的功率发射时，工作电流仅11．3 mA；而在接收时，工作电流仅12．3 mA，因此具有掉电和空闲多种低功率工作模式。②体积小，采用QFN20封装。③供电电压为1．9~3．6 V，可方便集成到各种电子器件。
2 LPC214x简介
IPC214x系列是Philips公司的基于ARM7内核的高性能器件，与LPC213x系列器件相兼容，并增加了一些新功能，性能得到了大大的提升。LPC214x系列器件最大特色是内置2kB终端RAM的USB 2．0全速控制器，1个(LPC2141／42)或2个(LPC2144/46/48)10位A/D转换器，多个串行接口，包括2个UART、2个高速I2C总线、SPI和具有缓冲作用及可变数据长度的SSP。LPC214x系列器件采用单电源供电，具有上电复位(POR)和掉电检测(BOD)电路。相对于普通ARM7来说，LPC214x还提升了I／O端口的速度，并且内置8—40 KB的静态RAM和32~512 KB的高速Flash存储器；工作频率高达60MHz；采用超小型LQFP64封装。
3 系统硬件设计
该系统采用模块化设计，主要由LPC2144、nRF24L01、射频功放和天线模块组成。其中，射频功放采用台湾K一BEST公司的2.4 G双向功放模块。图2是系统总体设计图。上位机为PC机，LPC2144与nRF24L01连接，根据需要配置2．4 G功放和增益天线模块。如果配置0．5 W功放和高增益天线，则传输距离可达5~10 km。下位机为嵌入式平台，该嵌入式平台可以是单片机、ARM、DSP和FPGA，nRF24L0l可通过SPI接口直接与嵌入式平台连接。 图3给出LPC2144与nRF24L0l的硬件接口设计。配置LPC2144的P0．2、P1．19作为GPIO端口分别与nRF24L0l的CE和CSN连接；配置LPC2144的P0．4、P0．5、P0．6作为SPIO端口分别与nRF24L0l的SCK、MISO、MOSI连接：配置LPC2144的P0．16作为EINT0端口与nRF24L0l的IRQ连接。
4 系统软件设计
发送端LPC214x完成初始化后，把nRF24L01配置成PTX工作模式。若从上位机接收到数据，则启动nRF24L01发送数据。若发送成功，则产生TX_DS中断；若重发超限，则产生MAX_RT中断；若发送成功，则继续发送，否则进行出错处理。接收端LPC214x完成初始化后，把nRF24L0l配置成PRX工作模式。当正确接收数据时，nRF24L0l产生接收中断标志，LPC214x从nRF24L01读取数据并向下位机发送。图4给出软件流程图。软件开发环境为ADSl．2。
5．1 nRF24L01的初始化
nRF24L01通过SPI接口和外部控制器件如MCU、ARM、DSP进行数据交换，其SPI协议是MSB在前，LSB在后。如果要读写多个字节，先读写低字节。如果外部控制器件没有SPI接口，可用普通I／O接口模拟。这里选用带SPI接口且可方便地与nRF24L0l连接的LPC21440表l给出nRF24L0l的命令表。
通过SPI接口传入nRF24L01的第一个字节是命令字，nRF24L0l的各种命令字都只有一个字节，分为读寄存器、写寄存器、读数据接收缓冲区、写发送数据缓冲区等。在输入任意命令字的同时，MISO输出的都是STATUS寄存器的内容。nRF24L0l的数据传输模式有ShockBurst和Enhanced ShockBurst两种数据包。后者比前者多了一个确认数据传输的信号，保证数据传输的可靠性。该器件内部完成需要高速处理的RF协议，发送数据时只需将数据放入发送数据缓冲区，器件会自行产生前导字符和CRC数据，并将这些数据地址和地址信息、发送数据缓冲区的数据等组成一个数据包发送出去。图5给出两种模式的数据包格式。 现按后一种模式初始化。在配置为接收数据时，nRF24L01接收到数据包后，由硬件解析地址数据和信息数据，当接收到有效信息数据后，在IRQ引脚产生中断，并通知外部处理器读取数据。在配置为发送数据时，nRF24L0l发送数据包后，自动切换到接收模式已接收返回的确认信号，当收到确认信号后，IRQ引脚产生数据发送完成中断，如果没有握手信号返回，则表示发送失败，器件自动重新发送，如果重新发送的次数超过在ARC_CNT寄存器中的设定值时，会在IRQ引脚产生重发次数超限中断。MCU查询STATUS寄存器的值，即可判断是发送完成中断，还是重发次数超限中断。
当发送端nRF24L0l配置成PTX模式时，配置nRF24L01工作在后一种发送模式下，重新发送的等待时间为250μs，重新发送次数为10次，地址是TX_AW，输出功率为0 dBm，速度为2 Mb／s，并且使能发送完成和重发送次数超限两种中断，CRC校验位为2字节，nRF24L01处于POWER_UP状态。函数中WRITE_REG为写命令基地址0x20
当接收端nRF24L01模块配置成PRX模式时，配置nRF24L0l工作在接收模式下，地址是RX_AW，负载数据宽度是TX_PL_W，使能接收完数据中断，CRC校验位为2字节，nRF24L01处于POWER_UP状态。
5．2 nRF24L01的数据收发
(1)发送数据 当nRF24L0l模块配置成发送模式后，向发送FIFO输入数据即可启动传输。
(2)接收数据 当nRF24L0l模块配置成接收模式后，在接收到数据中断发生时，从接收FIFO读取数据。
6 结语
介绍了基于ARM和nRF24L0l的无线数字传输系统的硬软件设计。该系统已应用于微型飞行器的实时图像传输和遥测中。在实际应用中，可根据需要，将nRF24LOl组成一对一、一对多、多对多的结构。该系统还可广泛应用于无线测控、文件传输等领域。
