0  引 言

　　現(xiàn)代通信技術的發(fā)展， 數(shù)據傳輸是一個重要的研究內容。目前有線通信技術始終是市場的主流， 這也是在空間區(qū)域不能自由布線的最大瓶頸， 而無線通信技術是該問題一個很好的通信方案。以成品的無線通信芯片作為通信媒介更能解決基礎硬件搭建調試及后期維護的難度。本文采用同類產品中性價比較高的芯片NRF24L01 ， 配合簡單外圍電路和降低芯片， 實現(xiàn)對其控制， 很好地解決了這一問題。

　　本文的控制部件選用AT 89C51 型單片機。由于這種芯片只有SPI 通信接口， 而目前常用的單片機都沒有這種接口， 因此需要對該芯片的通信時序進行模擬，所以在控制器里編程時要嚴格按照芯片工作時序進行。

　　1系統(tǒng)硬件組成

　　1. 1NRF24L01 芯片

　　NRF24L01 芯片是具有2. 4 GHz 內嵌基帶通信協(xié)議引擎功能的收發(fā)芯片。通過SPI 接口對芯片內部寄存器映射操作， 可以使其在空中的傳輸速度最大達到2 Mb/ s。

　　該芯片主要特點包括GFSK 調制技術： 126RF 頻道滿足多點通信需要： 1~ 2 Mb/ s 空中數(shù)據傳輸速率：內置硬件CRC 檢錯和點對點通信地址控制： 發(fā)送方電源可以通過編程輸出0 dBm， - 6 dBm， - 12 dBm，- 18 dBm： 芯片可以通過軟件設置地址， 確保通過地址認證雙方才能通信： 接收方采用集成通道過濾器， 可編程的增益設置： 主機接口采用4 根SPI 硬件接口線， 最大8 Mb/ s傳輸速率， 3 個32 字節(jié)的T X 與RX 的FIFO寄存器， 5 V 容抗輸入。

　　該芯片引腳功能如圖1 所示， 引腳1 為CE 數(shù)字信號輸入， 引腳2 為CSN 數(shù)字信號輸入， 引腳3 為SCK數(shù)字信號輸入， 引腳4 為MOSI 數(shù)字信號輸入， 引腳5為MISO 數(shù)字信號輸出， 引腳6 為IRQ 數(shù)字信號輸， 引腳7， 15， 18 為VDD 電源， 引腳8， 14， 17 為VSS 電源，引腳9 為XC2 模擬輸出， 引腳10 為XC1 模擬輸入， 引腳11 為VDD_PA 電源輸出， 引腳12 為ANT 1 射頻，引腳13 為A NT2 射頻， 引腳16 為IREF 模擬輸入， 引腳19 為DVDD 電源， 引腳20 為VSS 電源。

　　在硬件搭建時特別要注意在SPI 接口與51 單片機的P0 引腳相接時需要接10 kΩ 的上拉電阻， 其余的接口不需要。VCC 引腳接入電壓范圍為1. 9~ 3. 6 V， 不能在這個區(qū)間之外， 超過3. 6 V 將會燒毀模塊， 推薦電壓3. 3 V。因為這樣可以直接和NRF24L01 模塊的I/ O口線連接。如果是其他系列的單片機， 其電源是5 V， 單片機I/ O 口輸出電流如果超過10 mA 時需要串聯(lián)電阻分壓， 否則容易燒毀模塊。例如AVR 系列單片機電源是5 V， 需串接2 kΩ的電阻。

圖1 NRF2401 芯片引腳功能圖。

　　1. 2NRF24L01 芯片構成的通信模塊電路設計

　　NRF24L01 芯片通信模塊電路核心器件NRF24L01 配合網絡晶振、解耦電容、偏極電阻一起工作構造穩(wěn)定射頻通信模塊。該芯片是貼片結構， 模塊占用空間少， 如圖2 所示。

圖2由NRF24L01 芯片構成的通信模塊電路圖。

　　1. 3電源電路

　　電源電路如圖3 所示， B1 是9 V 蓄電池或者鋰電池， 能夠反復充電。C1 ， C2 ， C3 ， C4 都是濾波電容， 起到一次與二次濾波作用。D1 ， D2 是穩(wěn)壓二極管， 使輸出端的電壓穩(wěn)定在理想的水平電壓。芯片7805 是三端穩(wěn)壓集成電路芯片， 具有正電壓輸出。其電路內部還有過流、過熱及調整管等保護電路， 最終目的把9 V 電源轉變成穩(wěn)定5 V 輸出， 為后續(xù)設備供電。

　　1. 4系統(tǒng)通信電路設計

　　系統(tǒng)通信電路如圖4 所示。本電路中應用單片機AT89C51作為控制芯片， 對NRF24L01 主通信模塊的接口時序模擬和對數(shù)據的發(fā)送與接收進行處理。

圖3電源電路圖。

圖4系統(tǒng)通信電路圖。

　　1. 5與PC 機通訊電路設計

　　如果單片機通信電路與單片機通信電路通信， 則兩個硬件電路和圖4 相同， 只是在軟件設計時需在每個通信端設定不同的通信地址， 以辨認每個通信端口。若是單片機通信電路與PC 機或者具有COM 口的設備電路通信， 則需要一個轉接電路， 其硬件電路如圖5 所示。

圖5 SPI 接口與MAX232 通信硬件電路圖。

　　在圖5 所示的電路中， 單片機左側是一塊MAX232芯片， 其作用是將PC 機中的232 電平與單片機的T TL 電平匹配。最左側是9 芯母接頭， 在使用時可接在計算機COM 口上與計算機通信。單片機右側接一塊射頻通信模塊。由于此塊單片機同樣沒有SPI 接口， 所以需要用普通接口軟件模擬SPI 接口， 其編程要嚴格按SPI 端口的通信邏輯時序。

　　2單片機控制實現(xiàn)算法

　　通信芯片可以工作在四種模式下， 即: 配置模式、空閑模式、關機模式和收發(fā)模式。工作模式由PWR_U Pregister、PRIM_RX register 和CE 三個寄存器共同決定。在工作模式的收發(fā)模式中推薦使用EnhancedSho ckBurst 收發(fā)模式， 因為在這種工作模式下， 系統(tǒng)的程序編制會更加簡單， 并且穩(wěn)定性也會更高。兩種算法流程圖如圖6 所示。

圖6 發(fā)射流程與接收流程。

　　3結語

　　( 1) 提出基于射頻的無線通信技術方案， 并且按照該方案搭建硬件電路。

　　( 2) 設計單片機控制算法， 在PC 機中編好上位機軟件， 執(zhí)行機構能迅速執(zhí)行預定結果， 反應時間小于1 ms。

　　( 3) 在執(zhí)行機構遇到障礙時， 能返回準確命令， 使上位機捕捉到相應信息， 直接反映雙向通信效果好。

　　( 4) 系統(tǒng)穩(wěn)定可靠， 數(shù)據傳輸丟失率很小， 低于0. 01%。

　　( 5) 芯片互換性好， 可根據不同傳輸距離選擇不同芯片， 軟件不需改動。