基于nRF2401的工程機(jī)械儀表顯示無線通信平臺(tái)的設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)大型工程機(jī)械各類信號(hào)與駕駛操控室儀表異地顯示的通信問題，提出了基于射頻收發(fā)器nRF2401實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信的設(shè)計(jì)方案，詳細(xì)介紹了射頻芯片nRF2401的工作原理及特點(diǎn)， 并給出了無線通信平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)、接口電路及相應(yīng)程序框圖。經(jīng)過測(cè)試，該通信平臺(tái)上通信速率高、質(zhì)量好，空曠處的傳輸距離可達(dá)100 m。

　　隨著射頻無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)大型工程機(jī)械駕駛操控室儀表顯示采用無線通信的信號(hào)傳輸方式，可有效消除線纜傳輸固有的弊端，保證信號(hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量和可靠性。本文提出一種以超低功耗16 bit微控制器MSP430F149和射頻無線收發(fā)器nRF2401為核心的無線通信平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了大型工程機(jī)械駕駛操控室儀表顯示信號(hào)的無線傳輸，并完成了平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理框圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)由發(fā)射機(jī)和接收機(jī)組成。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的無線模塊為射頻無線收發(fā)器nRF2401，并均能工作在收發(fā)狀態(tài)，采用半雙工方式通信，通過按鍵中斷實(shí)現(xiàn)模塊收發(fā)方式的轉(zhuǎn)換，并在LCD上實(shí)時(shí)顯示收發(fā)器的工作狀態(tài)。發(fā)射機(jī)主要完成現(xiàn)場(chǎng)各類儀表信號(hào)的數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)、軟件抗干擾和標(biāo)度轉(zhuǎn)換處理、數(shù)據(jù)發(fā)送、LCD顯示系統(tǒng)狀態(tài)控制以及控制指令接收等功能；接收機(jī)則主要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)接收、LCD顯示儀表參數(shù)控制、向發(fā)射機(jī)傳送控制命令等工作。此外，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的控制單元配置有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口，可以很方便地把各類數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)上進(jìn)行分析處理。

　　2 通信系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的控制單元所采用的MCU器件皆為TI公司的16 bit高性能微控制器MSP430F149芯片。該芯片具有超低功耗、運(yùn)算速度快、存儲(chǔ)容量大、高性能模擬模式及豐富的片內(nèi)外設(shè)、JATG接口和在線編程等顯著優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)無線通信模塊為Nordic公司生產(chǎn)的單片集成射頻無線收發(fā)器nRF2401芯片，工作頻率范圍為全球開放的2.4 GHz頻段，可自適應(yīng)125個(gè)頻道，具有功耗低、通信速率高、通信質(zhì)量穩(wěn)定可靠、軟件配置工作參數(shù)、外圍電路簡單、應(yīng)用靈活、成本低廉、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用該芯片實(shí)現(xiàn)無線通信是一種具備較高性價(jià)比的解決方案。

　　2.1 nRF2401收發(fā)器工作原理

　　nRF2401芯片采用5 mm×5 mm QFN封裝，芯片內(nèi)置地址解碼器、時(shí)鐘、解調(diào)處理器、先進(jìn)先出堆棧區(qū)、GFSK濾波器、CRC處理器、低噪聲放大器、頻率合成器和功率放大器等功能模塊，并具有1.9 V～3.6 V寬工作電壓，以-5 dBm功率發(fā)射時(shí)，工作電流為10.5 mA，接收時(shí)工作電流為18 mA。

　　2401工作原理可概括為：2種通信方式、1個(gè)配置字、2個(gè)通道和4種工作模式。

　　兩種通信方式為ShockBurstTM(突發(fā)模式)和Direct Mode(直接模式)。在ShockBurstTM方式下，由2401自動(dòng)處理數(shù)據(jù)包字頭、地址和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)包由MCU低速送入片內(nèi)的FIFO區(qū)，由2401高速發(fā)出，數(shù)據(jù)傳輸速率最高達(dá)1 Mb/s，這種方式抗干擾性能強(qiáng)并且節(jié)能；Direct Mode方式時(shí)，如傳統(tǒng)射頻收發(fā)器一樣，數(shù)據(jù)包字頭、地址和CRC校驗(yàn)碼必須在通信程序中處理。

　　2401內(nèi)置狀態(tài)字寄存器，其功能為設(shè)置芯片的工作參數(shù)配置字。配置字由CS、CLK1和DATA 3線接口寫入，包括芯片收發(fā)狀態(tài)、接收頻道地址位數(shù)和地址、通道選擇、傳輸速率、晶振頻率、發(fā)射功率、工作頻率、CRC糾校驗(yàn)等參數(shù)，最多可有144 bit，前24 bit為系統(tǒng)保留位，其余120 bit由程序設(shè)置。在ShockBurstTM方式下配置字為15 B，Direct Mode方式下配置字為2 B。

　　2401具有DuoCeiverTM技術(shù)，為接收提供了2個(gè)獨(dú)立的專用數(shù)字信道，即通道1(CLK1、DR1和DATA)和通道2(CLK2、DR2和DOUT2)，后者只接收數(shù)據(jù)，可代替兩個(gè)單獨(dú)的接收系統(tǒng)。通過一個(gè)天線接口即可同時(shí)接收兩組數(shù)據(jù)，但接收通道2的頻率必須比通道1的頻率高出8 MHz以上時(shí)，才能正常接收。

　　2401具備4種工作模式，由PWR_UP、CE和CS 3個(gè)引腳信號(hào)決定，表1給出了工作模式與引腳信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

　　2401上電工作時(shí)，首先置為配置模式，由初始化程序?qū)懭肱渲米?，配置字的最?位指定2401收發(fā)狀態(tài)；然后由控制器輸出信號(hào)將CE引腳置為高電平，2401進(jìn)入收發(fā)模式工作，通過指定通道收發(fā)數(shù)據(jù)，收發(fā)雙方交互時(shí)一方可進(jìn)入空閑模式，待全部數(shù)據(jù)傳送完畢時(shí)進(jìn)入關(guān)機(jī)模式。

　　2.2 通信系統(tǒng)硬件邏輯電路

　　圖2為系統(tǒng)的控制芯片MSP430F149與無線模塊nRF2401的硬件邏輯電路。由于MSP430F149只有P1和P2口具有中斷控制功能，故將F149的P2口P2.0～P2.7分別接2401的CE、DR2、CLK2、DOUT2、CS、DR1、CLK1和DATA引腳，P5.7接PWR_UP。

　　2401的工作電壓為3 V，由圖2可知2401應(yīng)用電路只需少量的外圍元件。在設(shè)計(jì)過程中，天線可以選用PCB內(nèi)置，也可以使用單鞭天線和環(huán)形天線。本系統(tǒng)使用外置天線，SMA接頭。傳輸距離在100 m左右，可滿足大型工程機(jī)械儀表通信距離要求。