孫玉浩 陳梓源 解志斌

摘要：設計了基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（field programmable gate array，F(xiàn)PGA）和nRF24L01 的無線通信平臺架構。以FPGA 為主控芯片，設計了串行外設接口（serial peripheral interface，SPI）、直接數(shù)字頻率合成（direct digital synthesis，DDS）模塊以及邏輯控制模塊，并對nRF24L01 進行芯片配置，實現(xiàn)了FPGA 與nRF24L01 之間的高速數(shù)據(jù)交互。通過測試證明，基于FPGA 的無線通信平臺具有通信速率高、通用性強、性能穩(wěn)定等特點，能夠適用于多種通信應用場景。

關鍵詞：無線通信；現(xiàn)場可編程邏輯門陣列；nRF24L01 芯片；串行外設接口

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A

0 引言

隨著電子技術的高速發(fā)展，無線通信技術取得了不斷進步，無線通信的質(zhì)量也越來越高。傳統(tǒng)的射頻收發(fā)單元包含功率放大器、低噪聲放大器、混頻器和聲表面波濾波器等大量的分立器件，導致通信系統(tǒng)設計過程復雜、難度大，并且面對新需求時，難以對系統(tǒng)進行修改完善，造成時間和資源的浪費。因此，可修改、低功耗、集成度高的無線通信系統(tǒng)成為未來發(fā)展的趨勢。為了滿足上述需求，工程師設計出了各種射頻芯片，如面向基站應用的芯片AD9361、面向無線局域網(wǎng)的芯片MAX2830和中短距離傳輸芯片nRF24L01 等。禹永植等[1] 基于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列（field programmable gatearray，F(xiàn)PGA）和AD9361 設計出了一種軟件無線電平臺，該平臺能夠根據(jù)需求更改數(shù)據(jù)調(diào)制方式和收發(fā)通道參數(shù)，具有較高的靈活性和通用性。楊園格等[2-3] 基于FPGA 和MAX2830 設計出一種軟件無線通信平臺，該平臺擁有開放式自有協(xié)議，兼容藍牙低能耗通信協(xié)議，適用于多種通信場景。雖然上述兩種軟件無線通信平臺相較于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)具有無法比擬的優(yōu)勢，但需要設計者熟練掌握通信系統(tǒng)原理、數(shù)字信號處理算法以及算法硬件化方法等，這對于初學者難度較大。

nRF24L01 芯片是挪威Nordic 公司設計的一款射頻芯片，該芯片數(shù)據(jù)傳輸速率高、功耗低且通信接口簡單，應用非常廣泛。目前，市場上大多是通過單片機軟件模擬串行外設接口（serial peripheral?interface，SPI）對nRF24L01 進行控制，這種方式嚴重制約了無線通信平臺的傳輸速率[4]。因此，本文設計了基于FPGA 和nRF24L01 的無線通信平臺，利用可編程邏輯資源實現(xiàn)了SPI 控制nRF24L01 模塊，并通過信源產(chǎn)生正弦波作為待傳數(shù)據(jù)，進一步驗證無線通信系統(tǒng)的合理性。該無線通信平臺解決了傳統(tǒng)通信系統(tǒng)設計復雜、難修改等問題，大大提高了系統(tǒng)通用性。