無線傳輸記分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

任璐+李文石+錢敏

摘 要：無線記分系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分為發(fā)送端和接收端兩部分。發(fā)送端控制程序通過RS232串口通信發(fā)送比分?jǐn)?shù)據(jù)到單片機(jī)控制的下位機(jī)，并經(jīng)由nRF24L01無線射頻模塊的天線發(fā)送數(shù)據(jù)；接收端通過單片機(jī)控制的無線射頻模塊天線接收數(shù)據(jù)，并使用8段LED數(shù)碼管顯示記分情況。系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)包括硬件電路、軟件程序設(shè)計(jì)；發(fā)送端上位機(jī)界面程序采用VB6.0設(shè)計(jì)，發(fā)送端下位機(jī)和接收端單片機(jī)程序采用C51。給出了軟件設(shè)計(jì)流程圖、硬件實(shí)物運(yùn)行現(xiàn)場圖。測試表明，系統(tǒng)運(yùn)行性能良好。

關(guān)鍵詞：無線計(jì)分系統(tǒng)；單片機(jī)控制；nRF24L01；后臺控制

中圖分類號：TP274.2；TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.22.005

體育比賽深受人們喜愛，比賽記分是比賽過程的重要組成部分。相比于大型比賽采用昂貴的大型電子記分系統(tǒng)，大部分中小型球賽依舊采用傳統(tǒng)人工翻牌的記分模式。因此，針對以上問題，我們設(shè)計(jì)了一款輕巧的便攜型式電子無線遙控記分系統(tǒng)，成本相對低廉。該系統(tǒng)采用NORDIC公司的nRF24L01無線通信收發(fā)芯片和STC公司的STC89C52RC單片機(jī)。系統(tǒng)的硬件電路簡單，電路制作費(fèi)用低 。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測試，系統(tǒng)的工作性能穩(wěn)定，效果良好，可以廣泛運(yùn)用于中小型球類比賽。

1 系統(tǒng)總體方案

該無線遙控記分系統(tǒng)由發(fā)送端、接收端兩部分組成；發(fā)送端由上、下位機(jī)兩部分組成；下位機(jī)由觸摸按鍵、LED顯示數(shù)碼管、nRF24L01射頻發(fā)送模塊和MCU核心處理單元構(gòu)成；上位機(jī)采用PC，通過普通9針RS232串口與下位機(jī)通信；接收端由nRF24L01射頻接收模塊、MCU核心處理單元、LED顯示數(shù)碼管組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

發(fā)送端下位機(jī)硬件系統(tǒng)包括主控制單元我國、射頻收發(fā)模塊、晶振電路、復(fù)位電路、顯示單元、串口通信單元（包括電平轉(zhuǎn)換模塊）、電源模塊等。接收端包括主控制單元、射頻收發(fā)模塊、晶振電路、復(fù)位電路、顯示單元、電源模塊等。下面介紹主要部分電路的設(shè)計(jì)。

2.1 核心處理單元

核心處理單元采用STC公司生產(chǎn)的低功耗、高性能、超強(qiáng)抗干擾的微控制器STC89C52RC?；贑MOS工藝，攜有8 K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，與80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，能為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活度非常有效的解決方案。

STC89C52RC單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程時充分利

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用了這一特性，將其作為主控芯片，沒有增加過多外設(shè)。單片機(jī)的I/O端口具體資源利用情況為：P1口及中斷與nRF24L01射頻收發(fā)模塊相連接，控制信息的發(fā)送/接收；P0口與數(shù)碼管的段選線連接，控制顯示的字段；P2端口與數(shù)碼管的位選線相連接，控制顯示數(shù)字的位；P3.0口（Rxd）與MAX232芯片的T2 OUT引腳相連；P3.1口（Txd）與MAX232芯片的T2 IN引腳相連接。P3.0和P3.1兩端口作為PC機(jī)和單片機(jī)之間的串行通信口，負(fù)責(zé)兩機(jī)之間信息傳輸?shù)臉蛄?。軟件部分是單片機(jī)對nRF24L01讀/寫控制使之讀出當(dāng)前的比分值，并實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通信。

PC機(jī)的串口是RS-232電平，單片機(jī)的串口是TTL電平，為了使其能夠進(jìn)行通信，使用集成芯片MAX 232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。

2.2 射頻模塊

nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段。低功耗工作電壓為1.9～3.6 V。工作溫度范圍較大，可在-40～80 ℃內(nèi)正常工作。nRF24L01配外置天線，無阻擋傳輸距離50～100 m，配PCB內(nèi)置天線，無阻擋傳輸距離為20～50 m。該芯片有125個通訊通道，可滿足多點(diǎn)通訊和調(diào)頻需要。無線收發(fā)器包括頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型Shock BurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。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。空中數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)2 Mb/s，有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能。通過對相應(yīng)寄存器的寫入和讀出來完成對芯片的控制，比如實(shí)現(xiàn)nRF24L01相應(yīng)寄存器的初始化工作、識別處理數(shù)據(jù)的收發(fā)情況，并確保在數(shù)據(jù)傳輸中不發(fā)生數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象等。

PCB 布線的質(zhì)量對射頻性能有很大影響，一個差的PCB板設(shè)計(jì)可能導(dǎo)致丟包，甚至可能導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)其應(yīng)有的功能。nRF24L01的射頻PCB板設(shè)計(jì)及其周邊元件包括匹配網(wǎng)絡(luò)等可以從Nordic下載。此外，使用至少兩層板（包括一個地層）。nRF24L01的直流供電電源應(yīng)盡可能靠近芯片的 VDD 引腳，并經(jīng)高質(zhì)量的RF電容去耦；最好用一個大電容 （比如4.7 uF的鉭電容）并聯(lián)一個小電容；nRF24L01的供電電源必須經(jīng)過很好的濾波，并與數(shù)字供電電源分離。

PCB板避免使用長的電源走線，所有元器件的地、VDD及去耦電容應(yīng)盡可能地靠近nRF24L01芯片。如果在PCB 板的頂層有鋪銅“地”，VSS應(yīng)直接與鋪銅面連接；如果在PCB板的底層有鋪銅“地”，則應(yīng)該在離VSS腳盡可能近的地方放置過孔連接。每個VSS最少應(yīng)有一個過孔，所有數(shù)字信號線和控制信號線都不能與晶振和電源線距離過近。

*[基金項(xiàng)目]江蘇省高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（編號：201413983008Y）

2.3 四位LED數(shù)碼管顯示

顯示部分是一個四位8段LED數(shù)碼管。8段數(shù)碼管由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字形，引線在元件內(nèi)部已連接完成，只引出各個筆段和公共電極。其工作環(huán)境范圍寬泛，可達(dá)-40～75 ℃；壽命長，正常情況下可超過80 000 h。數(shù)碼管外殼采用阻燃PC塑料制作，強(qiáng)度高、抗沖擊、抗老化、防紫外線、防塵、防潮。

8段數(shù)碼管可以通過專用驅(qū)動芯片控制，可滿足各種復(fù)雜工程需求。為了點(diǎn)亮數(shù)碼管，可以選擇靜態(tài)驅(qū)動方式或動態(tài)驅(qū)動方式。

在本系統(tǒng)中，數(shù)碼管采用動態(tài)驅(qū)動方式。該方式中，四位數(shù)碼管的段選線相應(yīng)的并聯(lián)在一起，由一個8位I/O端口控制，形成了段選線的多路復(fù)用。而位選線分別由相應(yīng)的I/O線控制，實(shí)現(xiàn)了各位的分時選通。

2.4 觸摸按鍵

本設(shè)計(jì)中發(fā)送端下位機(jī)上設(shè)置了幾個按鈕，可作為直接計(jì)分?jǐn)?shù)據(jù)的發(fā)送開關(guān)，用于測試和手持式控制。此時，不需要使用上位機(jī)。由于本系統(tǒng)中所需按鍵數(shù)較少，因此，采用彈性小按鍵作為觸摸按鍵，直接用I/O端口線構(gòu)成單個按鍵電路，接口電路配置靈活、軟件結(jié)構(gòu)簡單。按鍵輸入采用低電平有效工作模式。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)送端下位機(jī)/接收端C51軟件設(shè)計(jì)

發(fā)送端下位機(jī)/接收端C51程序設(shè)計(jì)包含微控制器的初始化、對nRF24L01的訪問和對四位8段數(shù)碼管的控制。根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)，需要對nRF24L01模塊和數(shù)碼管顯示模塊進(jìn)行硬件資源的配置和定義。

nRF24L01模式是由PWR_UP、CE和PRIM_RX三個引腳定義的，根據(jù)系統(tǒng)的需要來配置其工作狀態(tài)。在配置時，需要分別根據(jù)三個引腳的不同狀態(tài)配置不同模式。以下僅列出部分硬件資源。

單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送流程為：①將接收機(jī)的地址（RX_ADDR）和要發(fā)送的數(shù)據(jù)（TX_DATA）寫入nRF24L01；②配置寄存器（CONFIG寄存器）的工作模式，使其處于發(fā)送模式后，通過微控制器將CE拉高，時長至少10 μs；③讀取狀態(tài)寄存器STATUS內(nèi)的內(nèi)容；④判斷發(fā)送完成標(biāo)志位是否被置位；⑤清空標(biāo)志位和數(shù)據(jù)緩沖，nRF24L01進(jìn)入空閑狀態(tài)。

單片機(jī)數(shù)據(jù)接受流程為：①將本機(jī)的地址和要接收的數(shù)據(jù)寫入nRF24L01；②配置CONFIG寄存器，使其切換為接收模式，然后將CE拉高，時長至少130 μs；③判斷接收完成標(biāo)志位是否被置位；④清空標(biāo)志位；⑤讀取數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)；⑥清空數(shù)據(jù)緩沖，此后nRF24L01進(jìn)入任意模式。

對于數(shù)碼管顯示模塊程序而言，出于節(jié)省I/O口、減小功耗的考慮，數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式，P2.0～P2.3作為位選信號的輸出端，P0.0～P0.7作為段選信號輸出端，利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象和二極管的余暉效應(yīng)達(dá)到顯示效果，具體如下：

3.2 發(fā)送端上位機(jī)主控界面VB軟件設(shè)計(jì)

為了方便進(jìn)行一體化控制，比如計(jì)分?jǐn)?shù)據(jù)存儲、多場次計(jì)分等，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了后臺PC上位機(jī)主控制界面程序，采用VB6進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)和下位機(jī)之間采用通用RS232串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。程序控制界面設(shè)計(jì)如圖2所示。

后臺主控制程序VB初始化程序如下：

4 結(jié)束語

本項(xiàng)目根據(jù)實(shí)際需要完成了計(jì)分系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，包括整機(jī)設(shè)計(jì)、下位機(jī)底層硬件和軟件設(shè)計(jì)，較好地達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖3所示。圖中列出了發(fā)送端上位機(jī)（PC控制臺界面）、下位機(jī)（圖中所示為發(fā)送端）、串口連接線和接收端。

系統(tǒng)充分利用了STC89C52RC單片機(jī)微型化、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)和nRF24L01可較遠(yuǎn)距離傳輸信息等優(yōu)點(diǎn)，節(jié)省了電力和人力成本。該系統(tǒng)可根據(jù)賽制要求更改，以適用于不同的競賽場合。

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〔編輯：張思楠〕