基于ARM的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董旭宇，夏路易

（太原理工大學(xué) 信息工程學(xué)院，山西 太原 030024）

隨著21世紀(jì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對(duì)能夠隨時(shí)隨地提供信息服務(wù)的移動(dòng)計(jì)算與寬帶無(wú)線通信的需求越來(lái)越迫切。在工業(yè)生產(chǎn)中，常常需要采集大量的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，如溫度、重量、氣壓等，并將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C(jī)進(jìn)行處理，由主機(jī)根據(jù)處理的結(jié)果，將控制信號(hào)傳輸給現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行模塊進(jìn)行各種操作?？梢钥闯鰯?shù)據(jù)不管是從采集設(shè)備到處理終端，還是從監(jiān)測(cè)控制指令從處理終端到采集設(shè)備，均需經(jīng)過(guò)傳輸過(guò)程這一重要環(huán)節(jié)。但當(dāng)有線網(wǎng)絡(luò)不通暢或由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境因素的限制不便架設(shè)線路的情況下，使用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、傳輸顯得更加實(shí)用、高效、快捷。

1 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)首先用傳感器將現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)模／數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC采樣、量化、編碼后轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送到微控制器進(jìn)行初步處理，然后利用nRF905無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸芯片通過(guò)無(wú)線方式將有效數(shù)據(jù)發(fā)送給接收端，接收端在接收到有效數(shù)據(jù)后通過(guò)串行口將數(shù)據(jù)送到輸出設(shè)備并且對(duì)有效數(shù)據(jù)的進(jìn)一步的處理。

1.1 ARM微控制器LPC1766

圖1 整體系統(tǒng)框架Fig.1 System framework

LPC1766芯片使用高性能的 ARM CortexTM－M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為100 MHz。它內(nèi)置高速存儲(chǔ)器（高達(dá)512 k字節(jié)的閃存和64 k字節(jié)的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)。該板包含8通道12位的ADC和10位的DAC、4個(gè)通用16位定時(shí)器、電機(jī)控制PWM接口以及多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)3個(gè)I2C、SPI、2個(gè) I2S、1個(gè) SDIO、4個(gè) USART、一個(gè) USB Host/Device/OTG 接口 和 兩 個(gè) CAN、Ethernet MIC 接 口 、Quadrature Encoder interface。 LPC1766芯片工作于－40～+105°C 的溫度范圍，供電電壓為2.0～3.6 V。它的一系列省電模式突顯出了它的低功耗的特點(diǎn)。豐富的外設(shè)配置，使得LPC1700微控制器適合于多種應(yīng)用領(lǐng)域：電機(jī)驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用、控制醫(yī)療和手持設(shè)備汽車電子等領(lǐng)域。

1.2 nRF905無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊

nRF905是Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為 1.9～3.6 V， 工作于 433 MHz、868 MHz、915 MHz 3個(gè)ISM頻段，頻道轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650 μs，最大數(shù)據(jù)速率為100 kbit/s。nRF905可以自動(dòng)完成處理字頭和CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）的工作，可由片內(nèi)硬件自動(dòng)完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便，其功耗非常低。nRF905工作模式主要包括活動(dòng)模式和節(jié)電模式。在活動(dòng)模式下，數(shù)據(jù)能低速?gòu)奶幚砥鬟M(jìn)入，然后高速發(fā)射出去；同時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)可以自動(dòng)生成數(shù)據(jù)幀頭并計(jì)算CRC校驗(yàn)和。接收數(shù)據(jù)時(shí)具有載波檢測(cè)功能，并對(duì)接收的代碼進(jìn)行地址檢測(cè)，并計(jì)算CRC以保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)硬件以LPC1766微控制器及其外圍部件為基礎(chǔ)，通過(guò)串口收發(fā)數(shù)據(jù)并控制無(wú)線傳輸模塊，最終達(dá)到系統(tǒng)要求。

2.1 微控制器模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用AMR微控制芯片LPC1766，其有100個(gè)引腳，70多個(gè)輸入輸出端口，其他端口用來(lái)與電源、地及電阻等相連；還有看門狗時(shí)鐘、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、10位8信道的數(shù)模轉(zhuǎn)換等。其中LPC1766與nRF905通過(guò)SIP協(xié)議進(jìn)行通訊。

2.2 無(wú)線傳輸模塊的設(shè)計(jì)

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸主要利用單片機(jī)LPC1766對(duì)無(wú)線射頻芯片nRF905的控制實(shí)現(xiàn)的。發(fā)送過(guò)程如下：首先LPC1766通過(guò)SPI接口對(duì)nRF905的各種配置寄存器（如通訊頻率、本機(jī)地址、目標(biāo)地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等）進(jìn)行設(shè)置，并將要發(fā)送的數(shù)據(jù)放入發(fā)送存儲(chǔ)區(qū)中；然后LPC1766將TRX＿CE和TX＿EN置高，使nRF905開始傳輸，nRF905啟動(dòng)射頻部分電路，完成數(shù)據(jù)打包，用GFSK的方式以100 kbps的速率將數(shù)據(jù)傳出；如果AUTO＿RETRAN被設(shè)置為高，nRF905重復(fù)發(fā)送數(shù)據(jù)直到TRX＿CE被設(shè)置為低；傳輸完成時(shí)，如果TRX＿CE被置為低，nRF905自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。

接收過(guò)程如下：先通過(guò)設(shè)置TRX＿CE和TX＿EN為低，選擇接收狀態(tài)；經(jīng)650 μs，nRF905開始檢測(cè)空中的信號(hào)；當(dāng)nRF905檢測(cè)到接收頻率上的載波，載波檢測(cè)（CD）引腳置高；當(dāng)收到有效地址時(shí)，地址匹配（AM）引腳置高；當(dāng)有效的數(shù)據(jù)包被接收時(shí)，即CRC檢測(cè)[7]正確，nRF905打開數(shù)據(jù)包，去掉包頭包尾并將接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)準(zhǔn)備（DR）引腳置高；MCU將TRX_CE引腳置低從而進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，通過(guò)SPI接口將數(shù)據(jù)取出；數(shù)據(jù)被取出后，nRF905重新將DR與AM引腳置低。

圖2 nRF905電路圖Fig.2 Circuit of nRF905

3 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)制只實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)到點(diǎn)之間的通訊。要實(shí)現(xiàn)這一步主要是要通過(guò)對(duì)LPC1766和NRF905進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲茫瑢?duì)NRF905的收發(fā)程序進(jìn)行編寫及對(duì)LPC1766管腳功能進(jìn)行配置。在發(fā)送端，為了盡可能的節(jié)約電能，一開始把NRF905設(shè)置為STANDBY靜電模式，并把SPI_CSN置為無(wú)效，這樣一方面可以達(dá)到節(jié)能的效果，同時(shí)又可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送。當(dāng)有數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，再改變?yōu)榘l(fā)送模式，并置SPI_CSN為有效開始片選，發(fā)送端和接收端程序流程圖如圖3和4所示。

4 結(jié) 論

系統(tǒng)調(diào)試成功后，進(jìn)行了多次數(shù)據(jù)傳輸實(shí)驗(yàn)。本系統(tǒng)通過(guò)了實(shí)際數(shù)據(jù)通信實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，運(yùn)行穩(wěn)定，通信可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)50米左右的無(wú)線通信。本系統(tǒng)可以應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的一些實(shí)際工作環(huán)境中。

圖3 發(fā)送端程序流程圖Fig.3 Process flow diagram of sender

圖4 接收端程序流程圖Fig.4 Rocess flow diagram of receiver

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