基于nRF24L01和STM32L152RD超低功耗無線通信系統(tǒng)

叢 林，楊 凱，胡文東，徐文濤，黃 燁

(1.空軍工程大學 航空航天工程學院，陜西 西安710038;2.第四軍醫(yī)大學航 空航天醫(yī)學系，陜西 西安710032)

隨著科學技術水平的不斷提高，傳統(tǒng)的有線通信因自身的局限性已越來越不能滿足人們的需要，無線通信技術得到了快速發(fā)展。如今出現(xiàn)了種類眾多的無線通信技術，目前比較熱門的有WiFi、藍牙、UWB、ZigBee、Nordic nRF以及TI公司的SimpliciTI等。不同無線通信技術在成本、功耗、傳輸速率、使用頻段、功能方面有很大區(qū)別，針對不同的需求要選擇適合的無線技術。

針對便攜式設備的低成本、低功耗要求，藍牙和WiFi功耗相對較大，UWB規(guī)范尚不統(tǒng)一且芯片價格高，Zigbee的傳輸速率受限僅250 kbit/s，SimpliciTI則受TI公司硬件平臺限制。綜合考慮各個因素，本系統(tǒng)采用了Nordic Semiconductor公司2.4 GHz低成本高性能的nRF24L01無線射頻芯片，由低功耗ARM系列STM32L152RD微處理器控制，實現(xiàn)短距離無線數(shù)據(jù)通信。nRF24L01不僅可以提供一個真正的超低功耗解決方案，而且也擁有優(yōu)良的共存性，其載波監(jiān)測功能保證了在WLAN干擾下的可靠通信。高速的頻率切換時間減少了與藍牙等跳頻系統(tǒng)出現(xiàn)互相干擾的可能。

1 硬件設計

系統(tǒng)的設計思路是在滿足高速傳輸數(shù)據(jù)的同時盡可能的降低功耗，故在MCU與無線芯片的選型上側重于性能和功耗的平衡。系統(tǒng)硬件部分采用模塊化的設計思想，主要由供電模塊，nRF24L01射頻模塊和微控制器模塊組成。其中供電模塊根據(jù)實際需求方案很多，本文就不詳細敘述了。

1.1 nRF24L01射頻模塊

nRF24L01是由Nordic Semiconductor公司出品的GFSK單片式收發(fā)芯片［1］，工作于2.4～2.5 GHz的世界通用(ISM)頻段，傳輸速率可達2 Mbit/s。芯片包括頻率發(fā)生器、功率放大器、增強型SchockBurstTM模式控制器、晶振和調制解調器。發(fā)射功率和頻道選擇等工作參數(shù)可以通過SPI接口進行設置。增強型ShockBurstTM功能使軟件設計更為簡單，集成了雙向通信所需要的鏈路層，而通常這些功能需要一個高速的MCU和大空間的存儲器和高的電源消耗來實現(xiàn)。nRF24L01及外部接口如圖1所示。

圖1 nRF24L01及外部接口

1.2 微控制器模塊

STM32L152RD基于高品質的ARM Cortex-M3內核，融合了高性能和超低功耗的特性，內置高速存儲器，工作頻率為32 MHz。它采用了優(yōu)化的節(jié)能架構與0.13μm的STMicroelectronics超低漏電生產(chǎn)工藝，此外，為了實現(xiàn)超低功耗，STM32L152RD還劃分了6種工作模式，使其在任何設定時間內都能以最低的功耗完成任務。STM32控制器的SPI［2］(串行外設接口)允許芯片與外部設備以全雙工或者半雙工、同步、串行方式通信，可用于多種用途，包括使用一條雙向數(shù)據(jù)線的雙線單工同步傳輸，還可使用CRC校驗的可靠通信。

通常SPI通過4個管腳與外部器件相連。MISO:主設備輸入/從設備輸出管腳，該管腳在從模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，在主模式下接收數(shù)據(jù);MOSI:主設備輸出/從設備輸入管腳，該管腳在主模式下發(fā)送數(shù)據(jù)，在從模式下接收數(shù)據(jù);SCK:串口時鐘，作為主設備的輸出，從設備的輸入;NSS:從設備選擇。這是一個可選的管腳，用來選擇主/從設備［3］。

系統(tǒng)除了使用MCU這4個管腳與無線模塊相連，還通過PA0管腳控制nRF24L01的片選端CE，PB0管腳控制中斷響應。圖2是微控制器模塊STM32L152RD與nRF24L01的接口電路原理圖。

圖2 接口電路原理圖

2 軟件設計

nRF24L01無線射頻芯片內置的鏈路層使軟件設計更為簡單，系統(tǒng)進行無線通信無須配置復雜的通信協(xié)議，只需編程配置好射頻芯片與MCU的SPI通信接口，然后在發(fā)送時將有效數(shù)據(jù)放入TX緩沖區(qū)，芯片將把地址信息和TX緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)與內部自行產(chǎn)生的數(shù)據(jù)頭、標志位和CRC校驗碼等信息結合起來進行數(shù)據(jù)打包并發(fā)送出去。表1給出增強型的ShockBurstTM模式的數(shù)據(jù)包［4］。整個系統(tǒng)的軟件設計部分分為初始化操作、配置發(fā)送模式、配置接收模式、配置中斷4部分。

表1 增強型的ShockBurstTM模式的數(shù)據(jù)包 byte

2.1 初始化操作

無線射頻芯片nRF24L01要進行無線通信，首先要對MCU的時鐘，MCU的SPI通信口和nRF24L01進行初始化操作［5］。MCU時鐘和SPI接口初始化部分STM32L152RD的芯片資料［6］很詳細，在此就不詳細敘述了。nRF24L01的初始化主要包括地址、應答方式、工作頻率、數(shù)據(jù)長度、發(fā)射速率、中斷響應等參數(shù)的配置。nRF24L01初始化操作［7］的流程圖如圖3所示。

圖3 nRF24L01初始化操作流程圖

2.2 配置發(fā)送模式

nRF24L01配置為增強型的ShockBurstTM發(fā)送模式［8］，當MCU有數(shù)據(jù)要發(fā)送nRF24L01就會啟動Shock-BurstTM模式，自動生成數(shù)據(jù)頭、標志位和CRC校驗碼并發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后將轉到接收模式并等待接收端的ACK應答信號。如果沒有收到ACK應答信號，則認為數(shù)據(jù)丟失，nRF24L01將循環(huán)重發(fā)數(shù)據(jù)包，直到收到ACK或重發(fā)次數(shù)超過重發(fā)寄存器中設置的值為止。如果數(shù)據(jù)重發(fā)次數(shù)超過了初始設定值，則會產(chǎn)生數(shù)據(jù)溢出導致IRQ中斷。當收到ACK應答信號時，nRF24L01就認為最后一包數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)送成功，TX_FIFO寄存器中的數(shù)據(jù)被清除并產(chǎn)生IRQ中斷通知MCU。MCU根據(jù)任務需求控制nRF24L01進入發(fā)送模式，接收模式或待機模式。發(fā)送模式流程如圖4所示。

配置發(fā)送模式代碼如下:

void nRF24L01_TxPacket(unsigned char*tx_buf)

{

NRF24L01_MODE_CE_0();

SPI_Write_Buf(WRITE_REG1+RX_ADDR_P0，TX_ADDRESS，TX_ADR_WIDTH);//寫入接收地址

SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD，tx_buf，TX_PLOAD_WIDTH);//寫入//要發(fā)送的數(shù)據(jù)

SPI_RW_Reg(WRITE_REG1+CONFIG，0x0e);//IRQ中斷，16位CRC

NRF24L01_MODE_CE_1();//CE置1，激發(fā)增強型的ShockBurstTM發(fā)送模式

圖4 發(fā)送模式流程圖

Delay_us(20);//注意延遲值不能太低

}

2.3 配置接收模式

在增強型的ShockBurstTM接收模式［9］下，nRF24L01可以接收6路不同地址相同頻率的數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)通道擁有自己的地址，通過寄存器RX_ADDR_PX來配置。nRF24L01CE置高后130μs便自動檢測空中信息，當有通道接收到有效的地址和數(shù)據(jù)時，進行CRC校驗，正確則記錄地址并以此為目標地址發(fā)送應答信號ACK同時自動去除數(shù)據(jù)頭，標志位和校驗碼并將有效數(shù)據(jù)寫入RX_FIFO寄存器，芯片通過產(chǎn)生IRQ中斷通知MCU接收完畢，隨后MCU可從RX_FIFO寄存器讀出有效數(shù)據(jù)。如果CRC校驗錯誤則丟棄數(shù)據(jù)包重新檢測空中信息。當成功接收數(shù)據(jù)時，MCU可根據(jù)任務需求控制nRF24L01進入發(fā)送模式，接收模式或待機模式。接收模式流程如圖5所示。

配置接收模式代碼如下:

void nRF24L01_SetRX_Mode(void)

{

NRF24L01_MODE_CE_0();

SPI_RW_Reg(0xe2，0); //清接收FIFO

SPI_RW_Reg(WRITE_REG1+STATUS，0XFF);//清狀態(tài)寄存器

SPI_RW_Reg(WRITE_REG1+CONFIG，0x0F);//IRQ中斷，16位CRC

NRF24L01_MODE_CE_1();

}

圖5 接收模式流程圖

2.4 配置中斷

中斷機制是單片機的基礎設施之一，它起著通信網(wǎng)絡的作用，以協(xié)調系統(tǒng)對各種內外部時間的響應和處理。通過配置外部中斷，可以判斷數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的情況，以便對相應事件做出處理。配置中斷代碼如下:

void NRF24L01_INT_IRQHandler(void)

{

uint8_t status;status=0;

if(EXTI_GetITStatus(NRF24L01_IRQ_EXTI_LINE)!=RESET)//判斷是否產(chǎn)生了EXTI2中斷

{

if(GPIO_ReadInputDataBit(NRF24L01_IRQ_GPIO_PORT，NRF24L01_IRQ_PIN)==0)//判斷是否是PA2線變低

status=SPI_Read(READ_REG1+STATUS);//讀狀態(tài)寄器

if(status &0x40) //如果接收到數(shù)據(jù)

{

SPI_Read_Buf(RD_RX_PLOAD，rx_buf，TX_PLOAD_WIDTH);//將數(shù)據(jù)從RX緩沖區(qū)讀出

SPI_RW_Reg(0xe2，0); //清除發(fā)送緩沖區(qū)

}

else if((status &0x10)＞0)//發(fā)射達到最大復發(fā)次數(shù)

SPI_RW_Reg(0xe1，0); //清除發(fā)送緩沖區(qū)

else if((status &0x20)＞0)//發(fā)射后收到應答

SPI_RW_Reg(0xe1，0);

SPI_Read_Buf(RD_RX_PLOAD，rx_buf，TX_PLOAD_WIDTH);//將數(shù)據(jù)從RX緩沖區(qū)讀出

SPI_RW_Reg(WRITE_REG1+STATUS，0xFF);//清除寄存器標志

}

EXTI_ClearITPendingBit(NRF24L01_IRQ_EXTI_LINE);//清除EXTI2上的中斷標志

}}

3 分析驗證

為保證系統(tǒng)準確有效，現(xiàn)將本文方案與目前已有的幾種無線通信系統(tǒng)方案進行對比［9-10］，其中系統(tǒng)綜合耗電的計算是通過無線芯片發(fā)射電流和接收電流的平均值與8 MHz工作時的MCU電流之和。對比分析如表2所示。

表2 幾種無線方案對比分析

表中系統(tǒng)綜合耗電的數(shù)據(jù)直觀地顯示出本文設計的系統(tǒng)功耗明顯低于其他的無線方案，更滿足便攜設備低功耗的需求。

4 結束語

提出了一種基于STM32L152RD微控制器和nRF24L01無線射頻芯片的超低功耗無線通信系統(tǒng)方案，并搭建了實際硬件系統(tǒng)，實現(xiàn)了超低功耗下的高速近距離無線數(shù)據(jù)傳輸。無工作任務時nRF24L01可進入掉電模式，STM32L152RD可進入休眠模式，系統(tǒng)功耗更低，特別滿足便攜式設備功耗盡可能低的要求。系統(tǒng)硬件電路簡單、成本低、傳輸速率快、可靠性好、具有良好的可擴展性，適用于對功耗有較高要求的便攜設備無線通信。

［1］Nordic Semiconductor ASA.nRF24L01_Product_Specification_v2.0［EB/OL］.［2013-01-01］.http://www.nordicsemi.no.

［2］潘勇.短距離無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的應用研究無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡［D］.天津:天津大學，2010.

［3］徐廣偉.RFID在煤礦系統(tǒng)中的應用［D］.成都:成都理工大學，2010.

［4］肖林榮，應時彥，馬躍坤，等.2.4 GHz射頻收發(fā)芯片nRF24LE1及其應用［J］.信息技術，2009(12):13-16.

［5］徐愛鈞，彭秀華.單片機高級語言C51Windows環(huán)境編程與應用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2008.

［6］STMicroelectronics.STM32L152RD Datasheet［EB/OL］.［2013-01-01］.http://www.st.com.

［7］隋紹勇，鄭維廣，張振邦.基于STM32F103和nRF24L01的近程無線數(shù)傳系統(tǒng)設計［J］.電子元器件應用，2010(12):15-17.

［8］張金昌，李博，馮小琴.nRF24L01在智能電子導游系統(tǒng)中的應用［J］.數(shù)字通信，2012(4):88-90.

［9］朱慧彥，林林.基于MCU和nRF24L01的無線通信系統(tǒng)設計［J］.電子科技，2012(4):81-83.

［10］時志云，王代華，張志杰.基于nRF24L01和PICl6F877的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計［J］.電子測量，2008(1):60-63.