基于nRF24L01的無線水聲信號傳輸

于 樂 蘇新彥 姚金杰

(中北大學(xué) 太原 030051)

有線傳輸?shù)膫鬏斁嚯x受局限導(dǎo)致無線傳輸越來越受人們的青睞，隨之而來的是應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，諸如:遙控遙測、生物信號采集、機器人控制、環(huán)境監(jiān)測等。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望通過無線方案來解決［1］。本文介紹的是將無線傳輸運用到水環(huán)境中，將采集到的水聲信號無線傳輸給上位機。由于本設(shè)計僅僅將傳感器放入水中，節(jié)點置于水面上，所以不需要考慮射頻信號被衰減的情況。本系統(tǒng)采用Nordic 公司的射頻芯片nRF24L01，超低功耗單片機MSP430F1611 作為主控芯片控制射頻芯片以實現(xiàn)無線水聲信號的傳輸。

1 芯片簡介

1.1 nRF24L01 芯片簡介

nRF24L01 是一款工作在2.4 ～2.5 GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片。nRF24L01 無線收發(fā)芯片普遍用于無線門禁、工業(yè)傳感器、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中［2］。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。工作速率0 ～2 Mb/s，外圍元件極少。

該芯片的封裝規(guī)格為6mm ×6mm ×0.8mm，36腳QFN6 ×6 封裝，RF 發(fā)射電流10.5mA，接收電流19mA［3］。它的主要特點如下:

(1)低工作電壓:1.9 ～3.6 V 低電壓工作;

(2)高速率:2 Mbps，由于空中傳輸時間很短，極大地降低了無線傳輸中的碰撞現(xiàn)象;

(3)多頻點:125 個頻點，滿足多點通信和跳頻通信需要;

(4)超小型:體積小巧，5 mm×5 mm;

(5)低功耗:當(dāng)工作在應(yīng)答模式通信時，快速地控制傳輸及啟動時間，極大地降低了電流消耗;

(6)低應(yīng)用成本:nRF24L01 的SPI接口可以利用單片機的硬件SPI口連接或用單片機I/O 口進(jìn)行模擬，內(nèi)部有FIFO 可以與各種高低速微處理器接口，便于使用低成本單片機［4］。

nRF24L01 有20 個引腳，其引腳及其功能如表1所示［5］。

表1 nRF24L01 引腳功能

1.2 MSP430F1611 芯片簡介

MSP430F1611 主要特點有:

(3)5 種省電模式;

(4)從等待方式喚醒時間:6μs;

(5)16 位RISC 結(jié)構(gòu)，125ns 指令周期;

(6)12 位A/D 帶采樣保持內(nèi)部參考源;

(2)

(7)雙12 位D/A 同步轉(zhuǎn)換;

(8)16 位定時器Timer_A 和Timer_B［6］。

2 硬件設(shè)計

無線傳輸主要是由單片機MSP430F1611 控制射頻芯片nRF24L01 實現(xiàn)的。此單片機將很多外圍模塊都整合到片內(nèi)，適合用于開發(fā)和設(shè)計單片系統(tǒng)。如圖1所示為單片機MSP430F1611 與射頻芯片nRF24L01 的電路原理圖。

圖1 電路原理圖

如圖1 所述，nRF24L01 與MSP430F1611 主要通過6 個引腳相連:CSN(SPI的使能端);CE(數(shù)據(jù)發(fā)射、接收的使能端);MOSI(SPI數(shù)據(jù)主出從入端);SCK(SPI時鐘輸入);MISO(SPI數(shù)據(jù)主入從出端);IRQ(中斷輸出)。TDO/TDI連接一個S 來控制發(fā)送或接收模式。MSP430 的控制指令從nRF24L01 的MOSI引腳輸入，nRF24L01 的狀態(tài)和數(shù)據(jù)信息從MISO 引腳輸出送到MSP430。每個指令使用前CSN 需為低，使用后變?yōu)楦摺?/p>

3 軟件設(shè)計

本設(shè)計先將單片機設(shè)定到低功耗3，將nRF24L01 設(shè)定為先睡眠后喚醒的工作方式。首先先初始化MSP430F1611 的時鐘、定時器和SPI口，中斷喚醒nRF24L01 后，初始化nRF24L01，然后判斷TDO/TDI引腳是否為高電平，從而決定是否發(fā)射數(shù)據(jù)，若為發(fā)射模式，單片機就把數(shù)據(jù)發(fā)送給nRF24L01，當(dāng)IRQ 為低電平時就讀取數(shù)據(jù)。如圖2所示為系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖。

4 實驗結(jié)果

本設(shè)計接入相應(yīng)的傳感器、采集模塊和上位機等之后，在水中使用設(shè)備發(fā)聲，通過本設(shè)計的無線傳輸，將水聲信號傳輸?shù)缴衔粰C上，使上位機采集到數(shù)據(jù)，通過Matlab 軟件對存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，如圖3所示為Matlab 對其中一組數(shù)據(jù)仿真出的原始水聲信號波形圖。

圖2 軟件設(shè)計流程圖

然后對原始的水聲信號進(jìn)行一些處理，如圖4所示為截取了一部分的水聲信號，如圖5所示為整流濾波后的圖形，如圖6所示為包絡(luò)檢波的圖形。

圖3 原始水聲信號

圖4 截取的部分水聲信號

圖5 整流濾波后圖形

圖6 包絡(luò)檢波圖形

5 結(jié)語

本設(shè)計通單片機MSP430F1611 對射頻芯片nRF24L01 的控制，實現(xiàn)了無線水聲信號的傳輸。通過Matlab 軟件對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，證實了此設(shè)計的無線傳輸效果。

［1］陳麗娟，常丹華.基于nRF2401 的無線數(shù)據(jù)通信［J］.電子器件，2006，(29)1:248-250.

［2］李澤坤.基于nRF2401 的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)［D］.南昌航空大學(xué)，2013.

［3］韋積慧.基于nRF2401 的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)［D］.吉林大學(xué)，2012.

［4］劉志平，趙國良.基于nRF24L01 的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸［J］.應(yīng)用科技，2008，35(3):55-58.

［5］訊通科技，2.4GHz 單片高速2Mbps 無線收發(fā)芯片［M］.北京:北京航空航天大學(xué)，2007.

［6］沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430 系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004:24-25.