基于單片機的搖桿信號無線傳輸程序設(shè)計

王 超，趙 亓

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學 機械學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

0 引言

近年來，無線傳輸技術(shù)發(fā)展迅猛，被不斷地應(yīng)用于機器人、無人機、深海探測等領(lǐng)域，而這些領(lǐng)域的應(yīng)用大都要使用搖桿進行遠程控制，因而對搖桿信號無線傳輸技術(shù)的研究是極其必要的。

無線遙控和無線傳輸系統(tǒng)與有線設(shè)備相比提高了移動自由度，相對有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，其可以免去繁瑣的設(shè)計過程，并且安裝簡便，操控方便，便于移動，能更好地適應(yīng)環(huán)境變化，提高了設(shè)備的靈活性并降低了維護成本。

本文通過編程實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的模數(shù)轉(zhuǎn)換與無線傳輸功能，為后期的數(shù)據(jù)利用奠定基礎(chǔ)。本設(shè)計所使用的是Nordic公司生產(chǎn)的NRF24L01＋單片射頻收發(fā)芯片，它具有功率小、開發(fā)簡單的特點，其使用的是微功率無線通信技術(shù)，利用數(shù)字信號單片射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少量外圍元器件即可構(gòu)成專用或通用無線通信模塊。

1 整體方案設(shè)計

1.1 整體方案概述

搖桿信號的輸出大多為模擬量輸出，即電壓方式輸出，所以需要加設(shè)A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，再把數(shù)據(jù)傳送到單片機系統(tǒng)。由于最終要實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)的傳輸，因而選取了2個NRF24L01＋模塊，其中一片連接單片機、A/D和 搖桿，作為發(fā)送端；另一片連接單片機和上位機，作為接收端。

1.2 主要元器件選擇

本設(shè)計以兩個帶有STC89C52單片機的ST－3A學習板作為主機，其上帶有無線模塊的接口，并使用3.3V穩(wěn)壓芯片，還帶有4個外接的5V輸出接線柱，方便連接實驗設(shè)備，而且減少了杜邦線的使用，使得實驗裝置布線簡單，簡化了實驗過程。

本設(shè)計使用YL－40模塊作為A/D轉(zhuǎn)換裝置，該模塊的核心是PCF8591芯片，它是一種具有I2C總線接口的A/D轉(zhuǎn)換芯片，僅依靠時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以實現(xiàn)與主機的信息傳遞。

因為要使搖桿操作起來更加簡便和直觀，本設(shè)計使用了JoyStick搖桿模塊，其有X，Y兩路模擬輸出。

考慮到無線傳輸?shù)木嚯x，最終選擇了無線收發(fā)模塊NRF24L01＋，其核心芯片是Nordic公司生產(chǎn)的NRF24L01＋芯片，特點是成本低、體積小、傳輸速率高，適合實驗室使用。

2 模塊電路原理說明

PCF8591是單片、單電源低功耗8位CMOS數(shù)據(jù)采集器件，具有4路模擬輸入、4路模擬輸出和4個串行I2C總線接口。其中，VREF為A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓，而I2C總線通過上拉電阻R9，R10接電源。PCF8591的3個地址引腳A0，A1和A2用于編程硬件地址，允許將最多8個器件連接至I2C總線而不需要額外的硬件。其器件的地址、控制和數(shù)據(jù)通過兩線雙向I2C總線傳輸。

本設(shè)計因手柄只有2路模擬輸出，所以只需要利用2個A/D轉(zhuǎn)換接口即可，因此，只使用AIN0和AIN1接口，其中AIN0和手柄S－Y口相接，AIN1與手柄S－X口相接。SCL和SDA分別接單片機的I/O口P20和P21。

從單片機控制的角度來看，對于NRF24L01＋，我們只需要關(guān)注以下6個控制和數(shù)據(jù)信號：

（1）CSN：芯片的片選線，CSN為低電平時芯片才會工作。

（2）SCK：芯片控制的時鐘線。

（3）MISO：SPI數(shù)據(jù)主入從輸端（Master input slave output）。狀態(tài)信息和數(shù)據(jù)信息是從MISO引腳輸出并送給單片機。

（4）MOSI：SPI數(shù)據(jù)主輸從入端（Master output slave input）。單片機的控制指令從MOSI引腳輸入。

（5）IRQ：中斷信號。無線通信過程中單片機主要通過IRQ與NRF24L01＋進行通信。

（6）CE：芯片的模式控制線。在CE為低電平的情況下，CE會協(xié)同NRF24L01＋的CONFIG寄存器共同決定NRF24L01＋的狀態(tài)。

3 程序功能實現(xiàn)

3.1 發(fā)送端

發(fā)送端流程如圖1所示。數(shù)據(jù)在傳輸過程中以3個字節(jié)為一組傳輸，Y向數(shù)據(jù)為第1個字節(jié)，X向數(shù)據(jù)為第2個字節(jié)，然后每組數(shù)以00H結(jié)尾。

圖1 發(fā)送端流程圖

應(yīng)注意的是：本設(shè)計使用的數(shù)據(jù)都是實時數(shù)據(jù)，即發(fā)送端隨時產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)信息傳送到接收端送PC顯示。因此定義的發(fā)送數(shù)據(jù)Tx＿Buf不能使用code定義，因為code內(nèi)的代碼都是下載到Flash中的，是修改不了的，所以只能發(fā)送固定的數(shù)值而不能發(fā)送實時數(shù)據(jù)。修改后，使用data來定義發(fā)送數(shù)據(jù)。

發(fā)送端主程序流程是：首先是對I2C進行初始化，然后初始化NRF24L01＋，并將其置為發(fā)射模式；由于設(shè)計實現(xiàn)的是數(shù)據(jù)的實時無線不間斷傳輸，因此在主程序中加入一個while（1）無限循環(huán)；同時，由于有2路輸出量和1路固定值要發(fā)送給接收機，經(jīng)過多次程序試驗驗證后，采用switch開關(guān)語句最為合適，其中case 0為Y向輸出賦值發(fā)送，case 1為X向輸出賦值發(fā)送，case 2為00H固定值發(fā)送，當case后的數(shù)值大于2時，程序自動跳回case 0，這樣就保證每次循環(huán)只發(fā)送一個包含3個字節(jié)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)組。

發(fā)送端主函數(shù)代碼如下：

3.2 接收端

接收端流程如圖2所示。

圖2 接收端流程圖

接收端主程序中nRF24L01＿RxPacket函數(shù)的作用是讀取狀態(tài)寄存器的值，并判斷是否接收到數(shù)據(jù)，如果接收到數(shù)據(jù)則讀取來自RX＿FIFO緩沖區(qū)的有效數(shù)據(jù)，放入Rx＿Buf中，讀取完成后要將 TX＿DS，RX＿DR，MAX＿PT都置為1。

接收端主函數(shù)代碼如下：

4 實驗結(jié)果

圖3為實驗結(jié)果顯示。從圖3中可以看到，初始化后，A/D模塊讀出的第一個值為80H，每次傳輸都要反應(yīng)3次，即每次實驗開始傳輸數(shù)據(jù)的前3組數(shù)據(jù)為初始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)無效。每次測數(shù)據(jù)時都會選擇一定時間關(guān)閉無線傳輸，這樣每次初始化的3組數(shù)據(jù)后的幾組數(shù)都代表一個大組，每個組代表一種狀態(tài)，總共有5大組：X和Y不動，即待機；X正向；X負向；Y正向；Y負向。這里的正負向參考搖桿模塊實物。

當搖桿待機時，即不做任何操作時X和Y方向分別為0xC0和0xC6；當把手柄向X正向推到底時，X向?qū)嶋H數(shù)據(jù)為0x1A，Y向數(shù)據(jù)無變化；同理，X負向最大時，實際數(shù)據(jù)為0xFC；Y正向最大角度時，對應(yīng)實際數(shù)據(jù)為0x2C；Y負向最大角度時，對應(yīng)實際數(shù)據(jù)為0xFD。

5 結(jié)論

本文利用現(xiàn)有的硬件設(shè)備，采用模塊化的編程方法，針對搖桿信號的無線傳輸程序進行了分析設(shè)計，編寫了主要的功能函數(shù)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和無線傳輸功能，為后續(xù)的應(yīng)用奠定了良好的基礎(chǔ)。

圖3 實驗結(jié)果

［1］譚曲江.基于nRF2401無線通信模塊設(shè)計的遙控出鋁手柄［J］.冶金自動化，2008（增刊2）：181－183.

［2］莢慶.基于nRF24L01的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（7）：68－70.