基于nRf2401和CP2102的USB2.0無(wú)線(xiàn)測(cè)控網(wǎng)絡(luò)

0 前言

　　現(xiàn)在，越來(lái)越多的無(wú)線(xiàn)技術(shù)被應(yīng)用到自動(dòng)控制系統(tǒng)中。nRf2401是挪威Nordic公司推出的單片2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)一體芯片，支持多點(diǎn)間通信，最高傳輸速率達(dá)到1Mbit/s，可以用于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中。

　　USB2.0口傳輸速率是480Mbps，有即插即用和熱插拔功能。接口提供內(nèi)置電源，可以向外設(shè)提供5V和最多500mA的電源。因此在以計(jì)算機(jī)為上位機(jī)的控制系統(tǒng)中，USB口比較適合作為計(jì)算機(jī)與測(cè)控網(wǎng)絡(luò)的接口。

　　USB接口器件的開(kāi)發(fā)過(guò)程比較復(fù)雜，開(kāi)發(fā)者需要知道USB協(xié)議、USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)、主機(jī)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)等知識(shí)，使用USB-UART橋接電路CP2102可以避免上述麻煩。

　　1系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想及nRf2401和CP2102介紹

　　系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想如圖1所示。系統(tǒng)是由 CP2102、nRF2401、單片機(jī)等組成。

　　圖1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

　　nRF2401是業(yè)界體積最小、功耗最低、外圍元件最少的低成本射頻芯片。有125個(gè)頻道，速率(0~1Mbps)、發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可編程設(shè)置。每個(gè)芯片可以通過(guò)軟件設(shè)置最多40bit地址，而且只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)。內(nèi)置CRC糾檢錯(cuò)硬件電路和協(xié)議。nRf2401內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊。工作于2.4～2.5GHz ISM自由頻段，采用SoC方法設(shè)計(jì)，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。nRF2401沒(méi)有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對(duì)用戶(hù)透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。

　　CP2102是美國(guó)Silicon公司生產(chǎn)的高集成度USB-UART橋接電路。它們能夠用最簡(jiǎn)單的外部電路、最少的外部器件簡(jiǎn)便實(shí)現(xiàn)USB2.0到UART的轉(zhuǎn)換。

　　使用CP2102作為USB接口器件最大的特點(diǎn)是開(kāi)發(fā)方便：①?gòu)S商免費(fèi)提供適用于Windows(含Windows CE)、Linux等操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒂?jì)算機(jī)的USB口虛擬成一個(gè)COM口，計(jì)算機(jī)使用普通操作串口的命令訪問(wèn)虛擬COM口。②內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、48MHz內(nèi)部晶體振蕩器、1KB字節(jié) E2PROM及異步串行數(shù)據(jù)總線(xiàn)（UART），電路無(wú)需任何外部的USB器件。③CP2102的UART接口波特率為300bps～921.6kbps，可以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求。

　　2硬件電路的實(shí)現(xiàn)

　　上位機(jī)系統(tǒng)電路如圖2所示。單片機(jī)選用ATmega16，是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的8 位AVR® 微處理器，采用先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz。片內(nèi)集成有16K 字節(jié)可編程Flash、512 字節(jié)的E2PROM、1K字節(jié)的SRAM、兩個(gè)可編程 的串行UART和可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI 串行接口。

　　圖2 上位機(jī)系統(tǒng)電路

　　CP2102無(wú)需外部電阻和晶體，VBus與REGIN引腳連到USB接口的Vbus端，在REGIN端加1μF的去耦電容。CP2102與單片機(jī)接口是標(biāo)準(zhǔn)UART電平，RTX、TXD引腳分別是串口的接收、輸出端，與單片機(jī)的對(duì)應(yīng)引腳相連。CP2102的USB端與計(jì)算機(jī)的USB口連接。CP2102的SUSPEND腳是USB口掛起信號(hào)端，接到單片機(jī)的PC4引腳。

　　圖3 無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊

　　上位機(jī)所有器件均由計(jì)算機(jī)的USB口提供電源。ATmega16L的電源電壓范圍為2.7～5.5V，nRF2401的電源電壓范圍為1.9～3.6V，利用計(jì)算機(jī)USB口的+5V電源，通過(guò)MIC2937A芯片將電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。

　　無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊電路如圖3所示。nRf2401外圍元件很少，可使用單鞭天線(xiàn)或環(huán)形天線(xiàn)，電感需要采用高Q高精度的貼片繞線(xiàn)高頻電感，晶體需采用高穩(wěn)定晶體，電容應(yīng)選用高穩(wěn)定貼片元件。nRf2401通過(guò)SPI接口與單片機(jī)進(jìn)行通訊，ATmega16集成了SPI接口（CLK、MISO、MOSI引腳），與nRf2401的CLK1、DATA相連接。nRf2401的CS是片選端，CE是發(fā)送或接收控制端，PWR_UP是電源控制端，分別由單片機(jī)的PC5、PC6、PC7引腳控制。nRf2401的DR1為高時(shí)表明在接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)，接單片機(jī)的中斷引腳。

　　3 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

　　3.1單片機(jī)對(duì)串口的編程

　　ATmega16集成有串口，使用前需要先對(duì)它進(jìn)行初始化。具體過(guò)程如下：①UCSRA=0，異步正常模式；②UBRR=1，設(shè)置波特率為500Kbps;③UCR= 0x98，使能接收中斷，允許發(fā)送；④SREG=0x80;//開(kāi)中斷。

　　初始化后，可以通過(guò)串口與CP2102進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。采用中斷方式接收，當(dāng)有串口數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)單片機(jī)產(chǎn)生中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷從接收緩沖器讀入數(shù)據(jù)。串口接收中斷程序如下：

　　#pragma interrupt_handler uart_rec:8

　　unsigned char i;

　　void uart_rec()

　　{i=UDR;}

　　串口發(fā)送程序如下：①UDR=1，發(fā)送數(shù)據(jù)；②while(!(USR0x40))，等待發(fā)送結(jié)束；③USR=~0x40，清發(fā)送完標(biāo)志。

　　3.2單片機(jī)對(duì)nRf2401的編程

　　單片機(jī)對(duì)nRf2401的編程包括對(duì)nRf2401進(jìn)行配置、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)等程序。

　　當(dāng)PWR_UP=1、CE=0、CS=1時(shí)nRf2401進(jìn)入配置工作狀態(tài)。配置字最高可達(dá)18字節(jié)，作用是使nRf2401子系統(tǒng)能夠處理RF協(xié)議。配置字從最高位開(kāi)始，依次通過(guò)SPI接口（CS、CLK1和DATA）送給配置寄存器。本系統(tǒng)配置為ShockBurst方式，配置字分為如下四塊：有效數(shù)據(jù)寬度（DATA2_W和DATA1_W）、地址寬度（ADDR2和ADDR1）、接收頻道地址（ADDR_W）、CRC配置（CRC_L和CRC_EN）。其值從高到低分別為8EH, 08H, 1CH, 20H, 50H, 0AH, 0

BH, 0CH, 0DH, 0EH, 0AAH, 28H, 0AH, 0BH, 0CH, 0A3H, 6FH, 65H。配置后nRf2401的通道1數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度80bit(其中nRf2401的序列號(hào)8byte + 2byte溫度數(shù)據(jù))，地址段長(zhǎng)度40bit，通道1硬件地址0AAH, 28H, 0AH, 0BH, 0CH，啟用16位片上校驗(yàn)功能，單通道接收，突發(fā)傳遞模式，通信速率1Mbit/s，晶振頻率16MHz，工作頻段2.450GHz，開(kāi)始處于接收狀態(tài)。

　　當(dāng)PWR_UP=1、CE=1、CS=0時(shí)為收發(fā)方式。ShockBurst發(fā)送過(guò)程如下：①CE=1，nRf2401開(kāi)始工作；②將接收節(jié)點(diǎn)地址寫(xiě)入nRf2401；將需要發(fā)射的數(shù)據(jù)寫(xiě)入nRf2401；③CE=0，激活ShockBurst發(fā)送。

　　通過(guò)中斷方式接收數(shù)據(jù)。當(dāng)有數(shù)據(jù)需要接收時(shí)，nRf2401會(huì)將DR1置高產(chǎn)生中斷信號(hào)，接收完畢后DR1又會(huì)被置低。首先配置中斷0為上升沿觸發(fā)方式（ISC01=1， ISC00=1），具體接收過(guò)程如下：①校驗(yàn)接收到的RF包的地址和欲接收的RF包中有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度；②CE=1，激活RX；③經(jīng)過(guò)200μs處理，nRf2401子系統(tǒng)監(jiān)視啟動(dòng)并等待信號(hào)的到來(lái)；④當(dāng)收到一個(gè)有效的數(shù)據(jù)包（正確的地址和CRC），nRf2401子系統(tǒng)移去前綴、地址和CRC位；⑤nRf2401子系統(tǒng)通過(guò)把DR1置高，產(chǎn)生中斷信號(hào)；⑥CE=0，RF設(shè)為低功耗方式；⑦單片機(jī)取出有效數(shù)據(jù)，需要注意的是，每接收一個(gè)字節(jié)需要先寫(xiě)0xff 到nRF2401。

　　完整的射頻數(shù)據(jù)包由四部分組成：前綴、地址、有效數(shù)據(jù)和CRC。前綴一般是8位（也可以設(shè)置為4位，由地址的首位決定）。如果地址的首位是0，前綴為01010101；如果地址的首位是1，前綴為10101010。ShockBurst方式下，CP2102接收到有效的數(shù)據(jù)包后，自動(dòng)移去前綴、地址和CRC，只留有效數(shù)據(jù)。

　　4 計(jì)算機(jī)控制軟件的編程

　　當(dāng)把CP2102與計(jì)算機(jī)連接時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提示發(fā)現(xiàn)新硬件，并要求安裝驅(qū)動(dòng)程序，執(zhí)行CP2102驅(qū)動(dòng)程序的安裝文件即可。驅(qū)動(dòng)程序安裝后，在設(shè)備管理器中會(huì)有CP2102虛擬的COM口（一般是COM3）。

　　VB開(kāi)發(fā)環(huán)境集成有串口控件MSComm，該控件是將RS-232的初級(jí)操作予以封裝，用高級(jí)的Basic語(yǔ)言即可實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[2]。

　　首先向工具箱添加MSComm控件，并產(chǎn)生一個(gè)串口對(duì)象，取對(duì)象名為“MSc”。然后編程對(duì)MSc進(jìn)行初始化，步驟如下：①M(fèi)Sc.CommPort=3， 選擇安裝驅(qū)動(dòng)程序后計(jì)算機(jī)虛擬的COM3口；②MSc.Settings = 500000,n,8,1，設(shè)置通信波特率是500kbps，無(wú)校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)，1位停止位；③MSc.InputMode=1，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存??；④MSc.RThreshold=1，每收到1個(gè)字符都觸發(fā)接收事件；⑤MSc.PortOpen=True，打開(kāi)串口。

　　發(fā)送數(shù)據(jù)只是向控件的Output屬性寫(xiě)數(shù)據(jù)即可，既MSc.Output=輸出的數(shù)據(jù)。

　　接收數(shù)據(jù)采取事件驅(qū)動(dòng)方式，程序代碼如下：

　　Public Sub msc_OnComm()

　　Select Case MSc1.CommEvent

　　 Case comEvReceive

　　 av = MSc.Input '接收數(shù)據(jù)

　　 ……'根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

　　End S

elect

　　 End Sub

　　5 結(jié)束語(yǔ)

　　本系統(tǒng)通過(guò)CP2102實(shí)現(xiàn)USB2.0接口，通過(guò)nRf2401通實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、可靠性高等特點(diǎn)，傳輸速率可以達(dá)到900kbps，在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等各個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。本文的創(chuàng)新點(diǎn)：系統(tǒng)使用CP2102芯片實(shí)現(xiàn)USB2.0接口，芯片廠商免費(fèi)提供驅(qū)動(dòng)程序，計(jì)算機(jī)端程序開(kāi)發(fā)方便。使用nRf2401實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)，有內(nèi)置地址設(shè)置、CRC糾檢錯(cuò)、工作于自由頻段優(yōu)點(diǎn)。文章給出詳細(xì)的硬件電路和軟件程序。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] Silicon Laboratories Inc.CP2102 Product Data Sheet, http:// www.silabs.com，2006

　　[2] 范逸之等.Visual Basic與RS-232串行通信控制.北京:中國(guó)青年出版社，2002.1

　　[3] nRF240x Configurator User Guide. Nordic VLSI document, Nordic Cooperation.

　　[4] 彭祖林,鄧羅根,劉細(xì)華.用于測(cè)量體溫的無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)信息,2005,1:59-61