基于nRF24L01無(wú)線雙向通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁媛媛

(煙臺(tái)職業(yè)學(xué)院，山東 煙臺(tái) 264670)

1 無(wú)線傳輸模塊基本工作原理［1］

利用無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行無(wú)線通信傳輸，通過(guò)單片機(jī)控制無(wú)線傳輸模塊A進(jìn)行發(fā)送無(wú)線信號(hào)，然后用單片機(jī)控制無(wú)線傳輸模塊B接收無(wú)線傳輸模塊A所發(fā)出的無(wú)線信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)一對(duì)一的無(wú)線信號(hào)傳輸，如圖1所示。反方向傳輸也是如此，無(wú)線傳輸模塊B發(fā)出信號(hào)，無(wú)線傳輸模塊A接收傳輸信號(hào)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要由單片機(jī)ATS89S51控制電路、nRF24L01收發(fā)模塊、穩(wěn)壓電路、顯示電路、電平轉(zhuǎn)換電路組成，以下重點(diǎn)介紹無(wú)線收發(fā)芯片等重點(diǎn)控制部分的電路原理。

2.1 無(wú)線模塊與主控模塊

無(wú)線傳輸模塊采用nRF24L01芯片［2］，該芯片是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz－ISM頻段，芯片內(nèi)置晶體振蕩器、功率放大器、頻率合成器以及調(diào)制器等功能模塊，輸出功率與通信頻道能夠通過(guò)程序進(jìn)行配備。芯片能耗非常低，如果按照－5 dBm的功率發(fā)射，工作電流只有10.5 mA，接收時(shí)工作電流18 mA，具有多種低功率的工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更加方便。其DuoCeiv－erTM 技術(shù)［3］能夠使nRF24L01使用同一天線來(lái)同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF24L01適用于多種無(wú)線通信的場(chǎng)合，如無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無(wú)線鼠標(biāo)、遙控開(kāi)鎖、遙控玩具等，應(yīng)用范圍非常廣。

nRF24L01工作原理圖如圖2所示。

圖2 nRF24L01工作原理圖

主控制電路主要由AT89S51單片機(jī)芯片［4］、復(fù)位電路及外設(shè)晶振電路組成。具體電路圖如圖3所示，該單片機(jī)的 P1.4，P1.5，P1.6，P1.7 口接無(wú)線收發(fā)模塊的1、2、3、4引腳，通過(guò) SPI方式進(jìn)行通信，P1.5，P1.6引腳分別收發(fā)圖2中的數(shù)據(jù)。圖3中J3作為串口及外部擴(kuò)展使用，J4與無(wú)線收發(fā)模塊連通，J5，J6為外部擴(kuò)展接口，接LED顯示燈與按鍵。

圖3 主控制芯片工作原理圖

2.2 AMS1117電壓源原理圖

接口電路輸出電流經(jīng)過(guò)二極管整流、濾波后，三端穩(wěn)壓器件7805實(shí)現(xiàn)降壓，由12 V降至5 V給單片機(jī)供電，5 V電壓經(jīng)過(guò)再次濾波，從AMS1117的輸入端輸入，經(jīng)過(guò)AMS1117正向低壓穩(wěn)壓器再次降壓，獲得穩(wěn)定的3 V電壓，作為無(wú)線發(fā)送與接收模塊的供電電源，具體電路如圖4所示。

2.3 模塊PCB板

PCB板的設(shè)計(jì)主要是板圖設(shè)計(jì)，采用電路板的主要優(yōu)點(diǎn)是大大減少布線和裝配的差錯(cuò)，提高了自動(dòng)化水平和生產(chǎn)勞動(dòng)率。

畫(huà)該電路的PCB板應(yīng)注意以下幾點(diǎn)［5］:

1)在整個(gè)PCB板的布線中，電源、地線盡管布置得非常好，但是仍有可能會(huì)干擾無(wú)線發(fā)送信號(hào)，降低發(fā)送信號(hào)的性能，甚至影響發(fā)送信號(hào)的成功率。因此對(duì)電源線、地線的布線一定要認(rèn)真設(shè)計(jì)，把電源線、地線所產(chǎn)生的干擾降到最低，以保證無(wú)線發(fā)送信號(hào)的質(zhì)量。

圖4 AMS1117電壓源原理圖

2)模數(shù)電路的共地處理:現(xiàn)在大部分PCB電路板設(shè)計(jì)完以后已經(jīng)不再是單純的數(shù)字電路或者模擬電路，往往是由二者混合設(shè)計(jì)而成。故在布線時(shí)對(duì)于信號(hào)干擾問(wèn)題就需要特別考慮，尤其要針對(duì)噪音干擾進(jìn)行處理。一般電路板以雙面板居多，地線布置非常講究，通常采用單點(diǎn)接地方法，電源和地由電源兩端接到PCB板上，電源共1個(gè)接點(diǎn)，地共1個(gè)接點(diǎn)。PCB板上需具備多個(gè)返回地線，最后全部聚回電源的接點(diǎn)上，稱(chēng)之為單點(diǎn)接地。而且模擬地、數(shù)字地、大功率器件地都要開(kāi)分，這被稱(chēng)為布線分開(kāi)，最后也都聚回到這個(gè)地。與PCB板以外的信號(hào)連接時(shí)，一般利用屏蔽電纜進(jìn)行隔離。

3)對(duì)連接引腳的處理需要進(jìn)行綜合考慮，尤其是在大面積的PCB板制作中，連接引腳的處理在大面積的接地中應(yīng)用較廣泛，常用元器件的引腳與之連接。從電氣性能方面來(lái)講，元件引腳的焊盤(pán)最好與銅面滿接，但在元器件焊接裝配時(shí)存在不利因素，如焊接時(shí)容易形成虛焊。因此，為了綜合考慮電氣性能和工藝要求，通常將焊盤(pán)設(shè)計(jì)成十字花焊盤(pán)，這種焊盤(pán)在焊接時(shí)因截面過(guò)分散熱可大大減少虛焊點(diǎn)。多層板的接電(地)層引腳的處理也是一樣。

4)設(shè)計(jì)規(guī)則檢查(DRC):電路板布線設(shè)計(jì)完成以后，在protel軟件中點(diǎn)擊設(shè)計(jì)規(guī)則檢查命令，對(duì)電路進(jìn)行檢查，查看布線的設(shè)計(jì)是否符合規(guī)則，確認(rèn)所制訂的規(guī)則是否與電路板生產(chǎn)工藝相吻合，通常需要檢查線與線之間、線與元件焊盤(pán)之間、貫通孔與貫通孔之間、元件焊盤(pán)與貫通孔之間、連接線與貫通孔之間的距離設(shè)計(jì)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，是否與生產(chǎn)工藝的需求相吻合，同時(shí)還需檢查電源線、地線的寬度是否合適，一般電源線和地線的寬度比信號(hào)線要寬。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)現(xiàn)過(guò)程

圖5為nRF24L01發(fā)送部分主程序流程圖。

圖5 nRF24L01發(fā)送部分主程序流程圖

在nRF24L01無(wú)線發(fā)送部分主程序中，首先進(jìn)行初始化操作，通過(guò)配置模式對(duì)nRF24L01進(jìn)行設(shè)置，主要包括發(fā)送的數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、發(fā)送數(shù)據(jù)的地址以及CRC技術(shù)和常用配置等。常用配置［6］包括使能第一頻道設(shè)置、通信方式設(shè)置、發(fā)送數(shù)據(jù)速率設(shè)置、晶振頻率設(shè)置、發(fā)送輸出功率設(shè)置、頻道設(shè)置和收發(fā)模式設(shè)置等。待初始化完成后，將nRF24L01設(shè)置為發(fā)送模式，進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)。然后查看狀態(tài)寄存器TX_DS是否為1，如果TX_DS為1則表示nRF24L01發(fā)送成功，并且數(shù)碼管可以顯示發(fā)送的數(shù)據(jù);如果TX_DS不為1則代表nRF24L01發(fā)送不成功，程序返回重新發(fā)送。

nRF24L01無(wú)線接收部分主程序流程圖如圖6所示。

圖6 nRF24L01無(wú)線接收部分主程序流程圖

在nRF24L01無(wú)線接收部分主程序中，首先進(jìn)行初始化操作，將nRF24L01設(shè)置為接收模式，并通過(guò)配置模式對(duì)nRF24L01進(jìn)行設(shè)置，主要包括接收的數(shù)據(jù)寬度、地址寬度、接收數(shù)據(jù)的地址以及CRC技術(shù)和常用配置等。常用配置包括與無(wú)線發(fā)送部分的配置基本相同。待初始化完成后，延時(shí)等待數(shù)據(jù)包的到來(lái)。查看狀態(tài)寄存器RX_DR是否為1，如果RX_DR為1，則表示接收到數(shù)據(jù)，然后查看接收到的第一個(gè)數(shù)據(jù)是否正確，如果正確，則讓數(shù)碼管顯示接收的數(shù)據(jù);如果RX_DR不為1，則表示沒(méi)有接受到數(shù)據(jù)，然后返回繼續(xù)等待接收數(shù)據(jù)。

3.2 nRF24L01的一對(duì)一程序設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸模塊nRF24L01的一對(duì)一發(fā)射程序如下:

無(wú)線傳輸模塊nRF24L01的一對(duì)一接收程序如下:

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)計(jì)在充分掌握無(wú)線傳輸模塊nRF24L01和AT89S51的工作原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)加入其他外圍電路，如恒壓電源電路，晶振電路，復(fù)位電路，電平轉(zhuǎn)換電路，顯示電路等，共同工作實(shí)現(xiàn)了一對(duì)一的無(wú)線雙向通信。

該系統(tǒng)具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用到各類(lèi)無(wú)線傳輸?shù)墓こ填I(lǐng)域中，如無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無(wú)線鼠標(biāo)、遙控開(kāi)鎖等，具有一定實(shí)用價(jià)值。

［1］何講明.基于nRF24L01的無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.科技創(chuàng)新與生產(chǎn)力，2011，7(10):23 －25.

［2］張?zhí)煜?基于MCU和nRF24L01的無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子科技，2012，4(1):34 －35.

［3］白春雨.基于nRF24L01的2.4 GHz無(wú)線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.無(wú)線電通信技術(shù)，2011，3(4):45 －46.

［4］蔣俊峰.無(wú)線收發(fā)芯片比較與選擇［J］.今日電子，2003(9):56－57.

［5］劉建平.單片2.4 GHz無(wú)線收發(fā)一體芯片nRF24L01及其應(yīng)用［J］.國(guó)外電子元器件，2004，6(12):36 －38.