游海云

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無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

游海云

（福建廣播電視大學(xué) 漳州分校，福建 漳州 363000）

介紹一種無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用。該系統(tǒng)以nRF24l01 無線收發(fā)模塊和STR89C52 單片機為核心, 通過軟、硬件設(shè)計，充分發(fā)揮“跳頻”、“學(xué)習”、“配對防錯”等先進技術(shù)，實現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)陌踩煽浚哂械统杀?、易擴展、操作簡單等特點, 可應(yīng)用于遠程無線數(shù)據(jù)傳輸。

無線數(shù)據(jù)傳輸；nRF24L01；STC89C52

引言

隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的高速發(fā)展, 使人們對無線通信的需求越來越迫切。在傳統(tǒng)的自動控制系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)傳輸都是通過金屬導(dǎo)線。而在一些特殊場合下，傳輸信號的電纜線可能會很長、很粗，比如電梯上或流水線上，都會有幾十米的電纜，甚至幾百米，不安全，也不符合節(jié)能減耗的要求。數(shù)據(jù)的無線傳輸方式的使用解決了上述難題, 有效的節(jié)約了人力物力。但如何確保信息的絕對安全一直是用戶的最大憂慮，因此開發(fā)出抗干擾能力強的產(chǎn)品就成為設(shè)計者的目標。目前在無線傳輸技術(shù)方面，各國都有新的技術(shù)問世。比如日本沖電氣工業(yè)公司早在2008年展示了利用集成美國Integration Associates公司芯片的發(fā)送和接收模塊，進行了簡單的演示。作為將來設(shè)想的應(yīng)用，提到了“遙控”和“安全”，并在日本銷售Integration公司RF芯片包括發(fā)送IC“IA4220B”、接收IC“IA4320”和收發(fā)IC“IA4420B”3種，展示了其運用的廣闊前景。本系統(tǒng)是一種基于nRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)具成本低, 體積小, 傳輸速率高, 具有良好的通用性和可靠性，以及較高的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由信源的讀取和信宿控制兩部分組成。信源采集的數(shù)據(jù)至核心器件的單片機（MCU），經(jīng)運算和轉(zhuǎn)換后發(fā)送給射頻模塊，通過跳頻和加密等措施發(fā)射到接收端；接收端對射頻模塊的數(shù)據(jù)進行判斷和讀取，在MCU的控制下射頻模塊執(zhí)行指令和數(shù)據(jù)的編碼與解碼、數(shù)據(jù)的調(diào)制與解調(diào)等操作，完成系統(tǒng)的無線傳輸功能。系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計總體框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 MCU

本系統(tǒng)選用的MCU 為STC89C52單片機，是一種低功耗、高性能CMOS八位MCU，具有8KB 的可反復(fù)擦寫的FLASH程序存儲器，可以實現(xiàn)在線編程調(diào)試；512字節(jié)RAM，其存儲空間足以容納本系統(tǒng)程序；32 位I/O 口線，看門狗定時器，4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個16 位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，STC89C52 內(nèi)置系統(tǒng)ISP 監(jiān)控程序，超強抗干擾，超強抗靜電，高速，高可靠，低價格。本系統(tǒng)使用其構(gòu)架的基本功能，用單片機的I/O 口模擬SPI 口與nRF24L01 射頻芯片通信。

2.2 無線射頻模塊

本系統(tǒng)無線射頻模塊選用Nor idc 公司推出的高速、低功耗、低成本無線通信芯片nRF24L01。nRF24L01 芯片是一款工作在2.4～2.5GHz 世界通用I S M 頻段的單片無線收發(fā)芯片，其收發(fā)器包括: 頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制解調(diào)器等功能模塊，輸出功率、通信頻道、自動重發(fā)次數(shù)等參數(shù)可通過程序進行配置，并融合了增強型SchockBurstTM 技術(shù)，該技術(shù)使低速SPI數(shù)據(jù)率和高速RFI數(shù)據(jù)率更有效地配合，降低能耗。數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達2Mbps，GFSK（Gauss frequency Shift Keying，高斯頻移鍵控）高效調(diào)制，125個頻道滿足多點通訊和跳頻通訊需求。內(nèi)置硬件8/16位CRC校驗，低功耗，nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流也只有9 mA。接收時，工作電流只有12.3 mA，多種低功率工作模式(掉電模式和空閑模式) 空閑模式僅1uA，可采用3.6V干電池2000mAh供電，便于節(jié)能設(shè)計。

特有的跳頻技術(shù)(Frequency-Hopping Spread Spectrum； FHSS)，大大提高了遠距離傳輸?shù)目垢蓴_能力和距離重點要解決的問題。由于2.4G頻段沒有使用授權(quán)限制，目前家用電器、手機、無線網(wǎng)絡(luò)都集中在此頻段，干擾問題難以避免。本系統(tǒng)在2.4GHz頻帶以一定的頻寬將其劃分為若干個無線電頻率信道，并且以使用接收和發(fā)送兩端一樣的頻率跳躍模式來接發(fā)訊號及防止數(shù)據(jù)擷取。[1]

2.3 發(fā)射模塊框圖

圖2 發(fā)射模塊框圖

2.4 接收模塊框圖

圖3 接收模塊框圖

3軟件設(shè)計

3.1 發(fā)射和接收程序

使用nRF24L01芯片進行無線數(shù)據(jù)通信時不需要進行曼徹斯特編碼, 編程和應(yīng)用非常方便。該系統(tǒng)軟件主要控制程序分為發(fā)射模塊程序和接收模塊程序兩部分。

具體的軟件發(fā)射程序流程如圖4所示，軟件接收程序流程如圖5所示。

圖4 發(fā)射流程圖

圖5 接收流程圖

3.2 跳頻功能實現(xiàn)

實現(xiàn)跳頻功能的工作原理是，收發(fā)雙方傳輸信號的載波按照預(yù)定規(guī)律進行離散變化。以達到避開干擾，完成傳輸[1]。具體的流程圖如圖6所示。

圖6 跳頻流程圖

3.3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

在無線數(shù)據(jù)傳輸中, 數(shù)據(jù)必須進行規(guī)定格式的處理才能有效的降低傳輸過程中的誤碼率。采用合適的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，有利于提高數(shù)據(jù)的傳輸效率及有效性[2]。本系統(tǒng)采用的傳輸數(shù)據(jù)格式為：

起始碼特征碼識別碼工作碼校驗碼結(jié)束碼

3.4 智能型學(xué)習配對功能的實現(xiàn)

當接收端收到一個數(shù)據(jù)包后, 必須向發(fā)送端確認, 若校驗無誤, 方可對該數(shù)據(jù)包進行處理。整個確認過程就是學(xué)習配對功能的實現(xiàn)。即將兩個發(fā)射數(shù)據(jù)作為學(xué)習碼，在配對時將發(fā)射端的學(xué)習碼儲存在接收端MCU的掉電不丟失存儲區(qū)中。等下次接收端有收到數(shù)據(jù)時，先將本次接收到的學(xué)習碼與存儲在MCU中的學(xué)習碼進行比較，相同才可控制接收端輸出。本系統(tǒng)可學(xué)習6個發(fā)送端，6個發(fā)送端對應(yīng)同一接收器的6個不同輸出，并有相應(yīng)的數(shù)字及指示燈顯示，學(xué)習過的發(fā)射端下回使用時無需要再次學(xué)習即可控制接收端輸出。

學(xué)習方法如下：先按下接收端的學(xué)習按鍵，等待接收。再按下發(fā)送端的學(xué)習按鍵，學(xué)習成功，退出學(xué)習過程。若在接收端按下學(xué)習按鍵5s內(nèi)沒有收到發(fā)送端數(shù)據(jù)，則學(xué)習指示燈快閃，代表學(xué)習失敗，退出學(xué)習過程。若長按接收端學(xué)習按鍵8s，蜂鳴器快響，可清除接收端的所有學(xué)習碼。

學(xué)習工作流程圖如圖7所示。

4結(jié)束語

為了提高抗干擾能力和傳輸距離，本設(shè)計還重點研究了以下幾方面的內(nèi)容：①選擇合適的識別碼（即引導(dǎo)碼和系統(tǒng)碼），以確保本產(chǎn)品與其它RFID設(shè)備的信號不串擾；②選擇合適的信息碼（鍵碼），以確保本產(chǎn)品之間的信號不串擾；③優(yōu)化天線設(shè)計，提高發(fā)射功率，增加傳輸距離；④設(shè)計低能耗的發(fā)射電路和接收電路，并且優(yōu)化軟件設(shè)計，在保證傳輸系統(tǒng)的穩(wěn)定性的前提下，延長電池的使用時間，實現(xiàn)綠色環(huán)保；⑤采用貼片元器件，縮小發(fā)射電路體積，以便安裝在現(xiàn)有設(shè)備內(nèi)，避免產(chǎn)品改變外形，降低成本。采用本系統(tǒng)進行無線通訊試驗，結(jié)果：運行穩(wěn)定，最大輸出功率為100Mw，空曠無障礙最大通信距離約為半徑200米左右，并且使用和維護的成本較低，在無線數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域有應(yīng)用前景。

圖7 學(xué)習工作流程圖

[1] 時志云，蓋建平，王代華．新型高速無線射頻器件nRF24L01及其應(yīng)用[J]．國外電子元器件，2007(8)：42-44．

[2] 楊旭，李德敏，張謙益．基于nRF24L01 的一種無線通信協(xié)議設(shè)計[J]．通訊技術(shù)，2011(7)．

Design and Implementation of Wireless Data Transmission System

YOU Hai-yun

(The Open University of Fujian，Zhangzhou Branch, Zhangzhou，F(xiàn)ujian 363000，China)

The article aims to introduced the design and implementation of a wireless data transmission system. The key of system is nRF24l01 wireless transfer - receive module along with STR89C52 Single Chip Micyoco, which will achieve advanced technology in " hopping", " learning " and " matching mistakes " etc by designing certain software and hardware system and will be characterized by security, low- cost, easy expansion and convenient operation, thus it can use widely in long-distance wireless data transmission.

wireless data transmission；nRF24L01; STC89C52

（責任編輯：季平）

2012－04－15

游海云 (1973－)，女，福建漳州人，實驗師，本科，研究方向：微機應(yīng)用及自動控制。

TN92

A

1673-1417（2012）02-0006-05