基于ARM單片機(jī)無線通信的設(shè)計制作

劉軾巍

【摘要】本文闡述了一個擁有高度可擴(kuò)展性的無線通信系統(tǒng)。設(shè)計中主要包括Cortex-M3內(nèi)核的ARM芯片STM32，無線通訊芯片nRF24L01+，用于DEBUG及系統(tǒng)實(shí)時工作狀態(tài)監(jiān)視的RS232接口，可直接應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場的高可靠性RS485接口，放置大型數(shù)據(jù)表格以及存放系統(tǒng)工作日志的SD卡接口。該系統(tǒng)工作于無需授權(quán)許可的ISM即工業(yè)、科學(xué)醫(yī)用頻段（2.4GHz）上，擁有最大2Mbps的高吞吐率，可應(yīng)用于布線難度較大的工業(yè)現(xiàn)場、要求嚴(yán)格電氣隔離的人機(jī)控制界面等等場合。

【關(guān)鍵詞】無線;STM32;射頻;ARM;nRF24L01+

1.前言

1.1 無線通信與有線通信的比較

現(xiàn)今無線通信越來越受到普及，并廣泛應(yīng)用于日常生活中。做如下比較可說明此問題：一是成本廉價。二是建設(shè)工程周期短。三是適應(yīng)性好。四是擴(kuò)展性好。五是設(shè)備維護(hù)上更容易實(shí)現(xiàn)。

1.2 Cortex-M3內(nèi)核的ARM對比傳統(tǒng)51單片機(jī)

本質(zhì)上Cortex-M3內(nèi)核的ARM在未使用操作系統(tǒng)時和51單片機(jī)的應(yīng)用場合是相同的，但無疑前者比起后者主要具有如下優(yōu)勢：

（1）成本——雖然單從芯片角度出發(fā)，51單片機(jī)會更為便宜，但由于ARM集成了大量標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)及擴(kuò)展總線，從系統(tǒng)整體角度出發(fā)，對于一個需要大量外設(shè)的系統(tǒng)而言，ARM的成本反而會由于51的投入，同時使用更少的器件有利于提高硬件系統(tǒng)可靠度。

（2）軟件調(diào)試——51單片機(jī)的軟件調(diào)試可通過拆卸芯片對其寫入程序后放回目標(biāo)板觀察運(yùn)行結(jié)果，個別51芯片也可通過串口燒寫程序。此種調(diào)試方式對于較為簡單的程序，可通過外置的LED小燈等一些外設(shè)觀察系統(tǒng)內(nèi)的宏觀運(yùn)行狀態(tài)，但對微觀的指令執(zhí)行情況較為無力。

（3）存儲——主流ARM芯片往往內(nèi)置有較大的FLASH ROM以及SRAM，在一些擁有大量數(shù)據(jù)表格或需要開辟較大緩沖區(qū)的應(yīng)用中無疑比51擁有更大的優(yōu)勢，且32-bit擁有4GB的尋址空間，無需和51單片機(jī)一樣超過64KB的代碼只能分頁存放并切換運(yùn)行。

2.通信系統(tǒng)硬件電路組成及原理詳解

2.1 系統(tǒng)組成框圖（如圖1所示）

2.2 ARM處理器

系統(tǒng)中的ARM處理器為意法半導(dǎo)體的STM32F103ZET6，相關(guān)介紹如下：

（1）時鐘——外部可使用4MHz～16MHz的晶體為處理器提供時鐘源，由內(nèi)部PLL將該時鐘倍頻至實(shí)際運(yùn)行時所需要的頻率（72MHz），相關(guān)電路見圖2.1.1，振蕩電路的非門及反饋電阻已集成在芯片內(nèi)，因此僅需2顆小電容即可實(shí)現(xiàn)，調(diào)整外部小電容的容值可微調(diào)8MHz時鐘源的頻率。

（2）存儲——STM32F103ZET6中內(nèi)置了512Kbytes的FLASH，很多繁雜的算法均可采用“以空間換時間”，在FLASH中以放置多張大型數(shù)據(jù)表格快速查閱的方式進(jìn)一步提高程序執(zhí)行速度。

（3）GPIO——片上有PA～PG七組每組16個共計112個GPIO端口，絕大部分的端口都能忍受5V的輸入，且支持如下幾種GPIO模式：浮空輸入（默認(rèn)）、上拉輸入、下拉輸入、模擬輸入、漏極開路輸出、推挽輸出、復(fù)用功能開漏輸出、復(fù)用功能推挽輸出。

3.通信系統(tǒng)軟件部分詳解

3.1 軟件部分采用事件觸發(fā)機(jī)制

各任務(wù)間通過消息隊列進(jìn)行通信，這樣的程序最符合“高內(nèi)聚，低耦合”，與外部硬件連接無關(guān)的部分可不作任何改動任意增刪軟件模塊，密切相關(guān)的部分則通過函數(shù)指針進(jìn)行回調(diào)函數(shù)注冊，也可非常容易得完成移植，整體程序不存在任何諸如毫秒級的Delay（）等CPU空轉(zhuǎn)的情況，可通過宏打開/關(guān)閉部分冗余代碼用以監(jiān)視系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.2 軟件功能描述

三臺（或更多）主機(jī)自身有兩個地址 ——單播地址與組播地址，單播地址可進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送，組播則可將多個主機(jī)編組，發(fā)送封包僅組內(nèi)主機(jī)可見，廣播包則無需地址，所有主機(jī)均可同時收到，針對于一些諸如時鐘基準(zhǔn)心跳包，可在其中一臺主機(jī)上實(shí)現(xiàn)較高精度的RTC，并通過其定期廣播時間信息，那么其他節(jié)點(diǎn)的時間就很容易在沒有RTC的狀態(tài)下動態(tài)修正系統(tǒng)時間。

3.3 部分軟件實(shí)現(xiàn)

DeviceNRFL01p類型為自定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，包含了nRF24L01+的各種運(yùn)行狀態(tài)，以及硬件對應(yīng)的SPI口初始化函數(shù)指針，基于軟件分層思想，SPI接口驅(qū)動在此處已完全與nRF24L01+驅(qū)動程序隔離，只需在程序范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)對應(yīng)函數(shù)原型即可，初始化完SPI口之后會調(diào)用讀寫檢測函數(shù)，該函數(shù)已將系統(tǒng)預(yù)設(shè)的地址寫入nRF24L01芯片，因此eState狀態(tài)不為ERROR即芯片工作正常。

4.結(jié)語

本論文簡述了一個帶有全雙工無線通信功能的小系統(tǒng)。硬件設(shè)計均按工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，PCB設(shè)計對于EFT及ESD問題都作了完備的防護(hù)措施。可直接應(yīng)用在實(shí)際項目中，并根據(jù)實(shí)際需要選擇焊接/不焊接部分器件靈活選擇功能，針對要求特別苛刻的場合，也可根據(jù)實(shí)際情況增/刪部分功能后針對性得重新設(shè)計PCB，對應(yīng)的軟件部分同樣為分層模塊形式，不使用的部分自檢未通過便會注銷后續(xù)設(shè)計的任務(wù)，無需再代碼中逐步整理，這對于萬行以上規(guī)模的代碼的維護(hù)將會提供巨大的便利。

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