测控技术与仪器 毕业论文范文——无线转发技术的研究

无线转发技术的研究摘要 ：油井测压系统存在于各个油井设施当中。普通的测试却无法比较精确的测出油井的压力。本课题通过对这个问题的研究，提出使用微控制器MSP430控制nRF2401无线收发芯片的方法，来实现测量数据的无线传输，进而方便地测出数据。论文分析了该系统的硬件电路和软件设计。介绍了工作于2.4GHz ISM频段的射频收发芯片nRF2401的主要特性和工作模式。nRF2401在单片机MSP430的控制下，工作在ShockBurstTM突发模式。在现有硬件电路的基础上，利用MSP430单片机控制收发芯片nRF2401，编写相应的程序来实现nRF2401的无线转发发送接收功能。设计适用于油井测压器的数据无线转存发射及接收模块，实现油井测压器的无线控制；结合采集电路进行调试和设计优化。该设计与现有的无线发送系统结合起来，实现了无线数据通信可靠稳定,可应用于油井的数据采集系统。关键词：无线转发，nRF2401，MSP430The research of wireless transmitted technologyAbstract：Well pressure system exists in the various facilities of the oil well. The general test is not more precise measure of the pressure well. The topic of this issue through research this problem, advancing the way of using MSP430 MCU control nRF2401 radio transceiver chip approach to achieve the wireless transmission of measurement data, thus easily measured the data. The paper analyze hardware and software design of the system. Introduce the band radio transceiver chip nRF2401 the main characteristics and work patterns when works in the 2.4 GHz ISM frequnce. nRF2401 under the control of MSP430 MCU, working in the ShockBurstTM burst mode. On the basis of the existing hardware circuit,by using MSP430 MCU control transceiver chip nRF2401, the preparation of the corresponding procedures to achieve the send and take-over function of the nRF2401.Designed the modules of wireless data transfer of launching and receiving which suitable to pressure oil wells,combining the collection circuit debugging and design optimization. The design with the existing wireless transmitter system, achieve the stable and reliable of wireless data communications, can be applied to the oil wells data acquisition system.Key words：Wireless E，nRF2401，MSP4301 引言近10年来，微电子技术的不断进步极大地推动了计算机和通信设备的普及和发展，一些电子产品如PC机、掌上电脑、打印设备等逐步进入人们的日常生活，成为人们生活中不可缺少的一部分。然而这些设备之间的数据传输往往通过电缆进行，限制了其使用的灵活性，因此人们开发了能够取代电缆的短距离无线通信技术以解决此问题。随着现代科学技术的快速发展，无线通信功能的实现越来越容易，数据传输速率也越来越高，抗干扰能力也越来越强。因此，越来越多的场合采用了无线传输技术，它与有线技术相比主要有成本低、携带方便、适应性好、设备维护容易、省去布线的烦恼等特点。1.1 无线数据传输的应用背景及本课题的意义国际上测量信号通常采用的方法有集流器传输和无线传输两种1。集流器传输方法包括拉线式、感应式和电刷式三种。拉线式集流器使用时易磨损，适用于低速旋转部件的信号测量；感应式集流器工作时其动静线圈之间的间隙变化会引起磁阻的变化，从而影响测量结果，而且其测量的旋转部件转速不高；电刷式集流器工作性能比较好，可用于较高转速下信号测量，但高速旋转时，电刷集流器定子/转子发热会导致信号漂移,从而出现测量误差。在这个时候，就需要采用带有无线数字传输系统的动态应变仪，解决传统应变仪带来的问题，以便将旋转信号输出12。在监测系统中，数据从采集设备到处理终端，监测控制指令从处理终端到采集设备，均需经过传输过程这一重要环节。当数据采集点处于运动状态，或者所处的环境不允许铺设电缆，采集设备必须与终端设备分离，此时也只能通过无线方式进行数据传输3。无线传输方法包括红外传输和无线电传输两种3。红外传输的载体是红外线，由于红外线有一定的方向性且不能穿越障碍物，因此红外传输只适合于应用在近距离、小角度、无障碍物场合的数据传输。无线电传输按基带信号的形式可以分为两类：模拟信号传输和数字信号传输。模拟信号传输由于基带信号是连续的，混入噪声干扰后不易清除，抗干扰能力差；数字信号传输所传送的信号是数字量，即使收到的信号出现一定的失真，仍可以通过纠错算法恢复出正确的原始信号，因此数字信号传输的抗干扰能力强。由于旋转构件的工作环境一般都比较恶劣，干扰源较多，因此本系统采用抗干扰能力强的无线数字传输技术，应用TI公司的MSP430单片机控制Nordic公司的无线数字传输芯片nRF2401，通过无线方式进行数据传输。1.2 无线数据传输概述现在无线电技术广泛应用于无线电通信、广播、电视、雷达、导航系统等几个主要方面，尽管在传递信息形式、工作方式、设备等方面有差别，但它们的共同特点都是利用高频无线电波来传递信息，因此设备中产生和接收、检测高频信号的基本功能电路大都是相同的。随着各种近距离无线技术的出现，不可避免的在一些应用领域内存在重叠和竞争。从1864年证明电磁波的存在到1904年发明真空二极管，开始进入无线电电子学时代。1907年真空三极管，用它组成具有放大、振荡、变频、调制、检波和波形变换等重要功能的电子线路，为现代千变万化的电子线路提供了“心脏”器件。因而电子管的出现，是电子技术发展史上第一个重要的里程碑。1948年晶体三极管的发明，成为电子技术发展史上的第二个重要的里程碑。20世纪60年代开始出现的将“管”、“路”结合起来的集成电路，几十年来已取得极其巨大的成就，中、大规模乃至超大规模集成电路的不断涌现出来，可以说集成电路是电子技术发展史上的第三个重要的里程碑。从无线电技术的诞生到现在，它对人类的生活和生产活动产生了非常深刻的影响7。1.2.1 国内外无线技术发展现状由于生产和生活中的控制应用往往是限定到一定地域范围内，比如：主机设备和周边设备的互联互通，房间内智能电器的控制，餐厅或饭店内的无线点菜系统，厂房内生产设备的管理和监控等，因此随着无线通信设备的迅速增长，各种短距离无线通信技术也得到了广泛的发展。目前，短距离无线通信技术主要有IrDA、蓝牙技术、Wi-Fi技术、低功率短距离无线通信技术和UWB技术五种。1、IrDA技术IrDA技术是一种比较成熟的短距离无线传输技术，采用人眼看不到的红外光传输信息，它利用红外光的通断表示计算机中的0-1逻辑，通常有效作用半径2米，发射角一般不超过20度，传统速度可达4Mbit/s10。2、蓝牙(Bluetooth)技术蓝牙技术是一种通用的短距离无线电技术，可将手机、掌上电脑和笔记本电脑等设备实现无线连接，有效距离可达10米，传输速度每秒达720Kbps。该技术诞生于1994年，Ericsson当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立手机及其附件间的通信。该技术还陆续获得PC行业，如：IBM、英特尔、东芝等业界巨头的支持。这种近距离无线通信技术标准最大的好处，就是能够取代各种电线或电缆。3、Wi-Fi技术Wi-Fi(Wireless Fidelity，无线高保真)也是一种无线通信协议，正式名称是IEEE802.11b，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。Wi-Fi速率最高可达11Mb/s。虽然在数据安全性方面比蓝牙技术要差一些，但在电波的覆盖范围方面却略胜一筹，可达100m左右15。4、低功率短距离无线通信技术一般使用数字信号单片射频收发芯片,加上微控制器和少量外围器件即可构成专用或通用无线通信模块。一般射频芯片采用FSK调制方式，工作于ISM频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能，因其功率小，开发简单快速而应用广泛。但数据传输速度、流量都较小，较适合搭建小型网络。在工业，民用领域使用较广，其中较典型的就是Nordic公司生产的nRF2401芯片。nRF2401是Nordic与其亚太地区最佳代理迅通科技在中国首次发布2.4GHz单片SOC无线产品，nRF2401为2.4GHz全球开放频段产品，采用0.18m工艺设计，具有高集成度和极具竞争力的成本优势。nRF2401的优异性能可应用在无线标签、无线终端、无线耳机、无线鼠标、无线键盘等产品设计，在大多数场合可以替代蓝牙的设计16。5、UWB(超宽带无线技术)技术UWB无线技术又称脉冲无线电技术，与传统通信技术不同的是，UWB是一种无载波通信技术，即它不采用载波，而是利用纳秒至微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽11。UWB被允许在3.110.6GHz的波段内工作,它主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。1.2.2 发展趋势数字通信因要求严格，故设备复杂、体积较大。随着数字集成技术的发展，各种大规模、超大规模集成器件的不断出现，加上数字压缩技术的不断完善，数字通信设备的体积将会越来越小。随着科学技术不断发展，数字通信无疑是目前和今后通信技术的主要发展方向。近距离无线传输系统的研究主要是为了改变由于架线引起的不便，而利用数字通信能使信息更加准确17。无线数据传输系统可分为微波数据传输方式、电台数据传输方式、GSM和GPRS网络数据传输方式。其中，微波数据传输造价昂贵，电台数据传输投资高，并且它们的维护费用也比较大。GSM和GPRS网络数据的短信息(SMS)传输，由于其覆盖率较高，费用低，稳定性高，已逐渐成为数据传输的发展趋势18。2 无线转发系统的总体设计思路2.1 系统设计思路由于油井测压系统存在于各个油井设施当中。普通的测试无法比较精确的测出油井的压力。本课题通过对这个问题的研究，提出使用MSP430单片机控制无线收发芯片的方法，来实现测量数据的无线传输，进而方便地测出数据。无线数据传输是区别于传统的有线传输的新型传输方式，即通过空气或真空实现数据的传送。相比于传统的有线数据传输方式，无线传输方式可以不考虑传输线缆的安装问题，从而节省大量线缆，并且降低施工难度和系统成本，是一个很有发展潜力的研究课题。数据采集单片机数据采集、发射部分无线收发模块单片机无线收发模块图2.1 无线收发系统框图接收部分存储器静态随机存储器无线数据传输系统的核心是无线收发控制电路。我们可以采用无线收发芯片来构成无线收发控制电路。常见的无线收发芯片有nRF2401、RF2915、BCA18、XC1201、MICRF007及CC400等，它们的工作电压大都在2.4V至5.5 V之间。如何在设计中选择所需要的芯片非常关键，正确的选择可以使工作少走弯路，考虑到各种因素，本课题最终选用挪威Nordic公司推出的单片机无线收发一体的芯片nRF2401。nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.42.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiver技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401内置地址解码器、先人先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，工作频率稳定可靠。它采用SoC方法设计，只需少量外围元件便可以组成射频收发电路，并且能够直接和单片机的串口相连，传输的数据无需曼彻斯特编码，效率高，支持多点间通信，最高传输速率超过1Mb/s，而且比蓝牙具有更高的传输速度。与蓝牙不同的是，nRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信，因此使用起来非常方便。在油井测压系统使用的是TI公司推出的微控制器MSP430，这种型号的控制器在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势。其工作电压在1.836V之间，正常工作时功耗可控制在200A左右，低功耗模式时可实现2A甚至0.1A的低功耗。MSP430具有非常高的集成度，通常在单个芯片上集成有12位的AD、比较器、多个定时器、片内USART、看门狗、片内振荡器、大量的IO端口及大容量的片内存储器，一般单片就可以满足大多数的应用需要。在低功耗应用中设计程序时，最好采用以下方法：CPU在初始化完成后，处于低功耗工作模式，在有外部事件发生时唤醒进入中断服务程序，完成后重新进入低功耗模式，照此循环往复，可以最大限度地降低功耗。较差等。同样，在油井测压系统中使用N04L163WC2A静态随机存储器作为数据的存储器鉴于系统设计思路，要实现数据的无限转发系统功能，最后设计该无线通信系统由发射和接收两大部分够成，发射部分由数据采集、单片机、nRF2401无线收发模块组成；接收部分由nRF2401无线收发模块、单片机等部分组成。2.2 硬件接口示意图在系统的功能实现中，微控制器MSP430先从N04L163WC2A中读取存储的数据，当静态随机存储器的CE1置低CE2置高OE置低LB、UB置低时，MSP430从N04L163WC2A中读取存储的数据，如图2.3。然后通过微控制器的SPI口发送给芯片nRF2401，nRF2401通过SPI口与 MCU 微控制器相连。nRF2401 只有一个 SPI 口 DATA，该引脚与MCU的SPI数据收发引脚SlMO和SOMI相连，同时MCU的SPI串接10K电阻。DR1为接收数据的准备引脚，nRF2401置位DR1，表示有数据到来，然后将DRl管脚电压拉低，DR1与P1.2相连，同时MCU的P1口具有中断功能，只有当数据准备好后，MCU即退出中断服务程序，执行相应的数据收发通讯。 单片机设置nRF2401的PWR_UP=1，CE=0，CS=0。等待3毫秒后进入配置状态，对nRF2401进行配置，在此将144位配置字分成18个字节，则该状态循环18次。配置完成后单片机将CE置高，nRF2401进入等待数据状态。此时单片机对DR1进行循环判断，当DR1=1时单片机进入数据加载状态。数据加载完毕，随后nRF2401再进入等待状态，等待下一个数据的到来。在数据发送完毕后，nRF2401进入空闲模式，等待下一个工作循环的开始。图2.2 系统原理图P1.0P1.1P1.2CECSPWR_UPP1.2P3.2P3.3DATAMSP43010K10K10KnRF2401图2.3 静态随机存储器的时序波形读周期3 硬件电路设计3.1 总体电路设计根据系统的设计思路，硬件电路图如图3.1所示。nRF2401芯片的CE、CS、DR1和PWR_UP管脚分别与MSP430单片机的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3管脚进行连接。由于SPI口的2个数据管脚都连接到nRF2401芯片的DATA管脚，因此MSP430单片机的SPI口的数据管脚都需要串接10K的电阻。由于DR1是高电平有效，因此需要将P1.2管脚拉低。nRF2401外接一个16M的晶振。 图3.1 硬件电路图3.2 无线模块电路分析根据本课题的总体设计思路，nRF2401通过外接晶体为它提供工作所用的时钟。nRF2401还必须有天线电路这样才能进行数据的收发。MSP430的USART模块可通过寄存器配置为通用异步串行口或SPI模块功能，这里配置为SPI模块。nRF2401通过SPI口与MSP430单片机进行连接，由于nRF2401的SPI口只有一个数据管脚（DATA管脚），所以该管脚直接与MSP430单片机的SPI口的数据收发管脚（MOSI、MISO）进行连接。nRF2401芯片的CE、CS、DR1和PWR_UP管脚分别与MSP430单片机的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3管脚进行连接。P1.0、P1.1、P1.2和P1.3管脚只是用来控制nRF2401芯片的工作状态，而P1.2管脚用来指示nRF2401是否接受到数据，由于P1口的管脚有中断功能，因此可以将P1.2管脚设置成中断方式。nRF2401接口电路如图3.2所示。图 3.2 nRF2401芯片接口电路3.3 单片机控制电路微控制器MSP430的SPI口是一个串行通道，SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息；射频配置寄存器包含收发器配置信息，如频率和输出功能等；发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数；发送数据寄存器包含待发送的数据包的信息，如字节数等；接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。允许7位或8位数据流以外部或内部编程的速率移入或移出MSP430。USART以字节外围模块与CPU连接。它通过3或4个外部引脚使微控制器与外部系统相连。由于SPI口的2个数据管脚都连接到nRF2401芯片的DATA管脚，因此MSP430单片机的SPI口的数据管脚都需要串接10K的电阻。由于DR1是高电平有效，因此需要将P1.2管脚拉低。如图3.3所示为单片机电路示意图。图3.3 单片机电路4 系统硬件模块分析实现数据的无线传输，是整个通信系统中最关键的一部分。由于传输的数据是在动态状态下且需实时不断地进行传送，因此需一个非常稳定可靠的无线数据传输单元，在此选用Nordic公司生产的nRF2401无线收发一体芯片。nRF2401芯片和蓝牙芯片一样，都工作在2.4GHz自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。nRF2401支持多点间通信，最高传输速率可达1Mbit/s，而且比蓝牙具有更高的传输速度。它采用SOC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是，nRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF2401比蓝牙产品更便宜。所以nRF2401是业界体积较小、功耗较少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。4.1 nRF2401主要特点l 采用全球开放的2.4GHz频段，有125个频道，可满足多频及跳频需要；l 速率(1Mbps)高于蓝牙，且具有高数据吞吐量；l 外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路；l 发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置；l 电源电压范围为1.93.6V，功耗很低；l 电流消耗很小，-5dBm输出功率时的典型峰值电流为10.5mA；l 每个芯片均可以通过软件设置最多40bit地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据(提供一个中断指示)，同时编程也很方便；l 内置CRC校验硬件电路和协议；l 采用DuoCeiver TM技术可同时接收两个nRF2401的数据；l 采用ShockBurst TM模式时，能适用极低的功率操作和不严格的单片机执行。nRF2401的内部结构原理及外部组成图如图4.1所示：图4.1 nRF2401的内部结构图4.1.2 nRF2401管脚功能nRF2401各管脚功能如表4.1所示，一些管脚具体功能如下：PWR_UP为上电端，CE为工作状态使能端，CS为片选端，单片机通过对nRF2401的PWR_UP、CE和CS管脚状态组合设置，控制nRF2401的工作模式。当状态组合为1、1、0，1、0、1或1、0、0时，芯片分别处于激活、配置或空闲模式。当PWR_UP置0时，芯片处于掉电状态。CLK1、CLK2为通道1、2时钟信号端，由单片机提供，在突发模式下，在时钟信号的下降沿从nRF2401的DATA管脚读出数据。DATA、DOUT为通道1、2数据端，单片机与nRF2401由CLK、DR1和DATA组成的三线接口交换传输的数据。通道1可接收和发送数据，通道2只能接收数据。表4.1 nRF2401管脚功能管脚名称管脚功能备注1CE数字输入使nRF2401工作于接收或发送状态2DR2数字输出数据通道2接收数据准备好，表示可以接收数据3CLK2数字输入/输出接收数据通道2时钟输入/输出4DOUT2数字输出接收数据通道2的输出5CS数字输入配置模式的片选端6DR1数字输出数据通道1接收数据准备好7CLK1数据输入/输出数据通道2接收数据准备好，表示可以接收数据8DATA数字输入/输出接收通道1接收/发送数据端9DVDD电源数字电源正端10VSS电源接地(0V）11XC2模拟输入晶振接入端12XC1模拟输入晶振接入端13VDD_PA电源输出功率放大器电源端(接+1.8V电压)14ANT1天线天线接口115ANT2天线天线接口216VSS_PA电源接地(0V)17VDD电源+3V DC电源端18VSS电源接地(0V)19IREF模拟输入模拟转换的外部参考电压(通过22k)20VSS电源接地(0V)21VDD电源+3V DC电源端22VSS电源接地(0V)23PWR_UP数字输入芯片激活端24VDD电源+3V DC电源端4.1.3 nRF2401的工作模式 nRF2401有4种工作模式，即收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE和CS这3个管脚决定。表4.2中给出了nRF2401芯片的4种工作模式。表4.2 nRF2401芯片的4种工作模式工作模式PWR_UPCECS收发模式110配置模式101空闲模式100关机模式0XX由表4.2可以看出，由PWR_UP、CE和CS这3个管脚就可以决定芯片的工作模式。4.2 微控制器MSP430MSP430 系列是一个 16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机。MSP430 系列单片机的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。 强大的处理能力MSP430 系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz 晶体驱动下指令周期为125ns。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 在运算速度方面， MSP430系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现125ns 的指令周期。16位的数据宽度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。 MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用6us 。 超低功耗MSP430单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。 首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压。因而可使其在8MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200400uA左右，时钟关断模式的最低功耗只有0.1uA。 其次，独特的时钟系统设计。在MSP430系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（FLL和FLL+）时钟系统或DCO数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（32768Hz）,有的使用两个晶体振荡器。由系统时钟系统产生CPU和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。 由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在等待方式下，耗电为0.7uA，在节电方式下，最低可达0.1uA。 系统工作稳定 上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做 CPU时钟 MCLK 时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。 丰富的片上外围模块MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A（Timer_A）、定时器 B（Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、IC总线直接数据存取（DMA）、端口O（P0）、端口16（P1P6）、基本定时器（Basic Timer）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D转换器 ；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、PWM等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的I/O端口，最多达6*8条I/O口线；P0、P1、P2端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入；12/14位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达160段；实现两路的12位D/A转换；硬件IC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（DMA）模块。MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。SPI的串行同步通信特性：l 控制寄存器中的控制位SYNC置位，选择同步通信模式。l 经S0M1、S1M0、UCLK和STE引脚，支持3或4线SPI操作。l 可选择主模式或从模式。l 接收和发送有各自的移位寄存器（URXBUF和UTXBUF）。l 接收和发送双缓存。l 时钟极性和时钟相位可控。l 主模式的时钟频率可控。7或8位字符长度。图4.2 USART原理框图，SPI模式MSP430管脚排列见图4.3，MSP430功能模块见图4.4图4.3 MSP430的封装图4.4 MSP430功能模块图4.3 设计优点本设计选用的微控制器MSP430具有精简指令集、超低的功耗和丰富的寻址方式。在设计中购买的无线发送模块nRF2401具有高度集成特点，没有复杂的通信协议，完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。更重要的是，nRF2401比蓝牙产品更便宜。体积较小、功耗较少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。因而由上述芯片可以组成非常稳定可靠的无线数据传输单元。5 软件设计5.1 设计思想系统软件设计主要是实现单片机MSP430与nRF2401芯片之间的通信，从而实现数据的无线传输。软件设计需要完成3部分内容。1、微控制器MSP430初始化配置；2、完成微控制器MSP430对nRF2401模块的初始化操作；3、微控制器MSP430控制nRF2401发送数据。5.2 系统软件设计程序设计的核心是要完成MSP430的初始化和控制nRF2401的数据发送。因为nRF2401只有一个SPI口（DATA），所以MSP430的SPI口只能与nRF2401 的DATA管脚连接。MSP430的异步串行接口和SPI接口用同一个USART模块，这里需要用软件配置为SPI功能。本设计中SPI配置为主机模式。初始化nRF2401，这些寄存器中有很多信息，必须根据实际情况进行配置，本设计中nRF2401外接16MHz晶体，在nRF2401发送数据前，需要MSP430通过SPI总线在待机模式下先把待发数据填进发送数据寄存器中，一次最多32Bit。把nRF2401的CE、PWR_UP引脚都置为高电平，CS置为低电平，数据就会发送出去。数据发送完毕后，将nRF2401的PWR_UP置高，CE、CS置低使nRF2401进入空闲模式，MSP430回到低功耗模式。如图5.1所示。开始MSP430退出低功耗模式配置SPI口初始化nRF2401nRF2401发送数据数据发送完毕nRF2401进入空闲模式MSP430回到低功耗模式结束图5.1 系统功能框图5.3 微控制器MSP430的操作 MSP430的USART模块可通过寄存器配置为通用异步串行口或SPI模块功能，这里配置为SPI模块。同步接口是一个串行通道，允许7位或8位数据流以外部或内部编程的速率移入或移出MSP430。USART以字节外围模块与CPU连接。它通过3或4个外部引脚使微控制器与外部系统相连。本设计中SPI配置为主机模式、3线制和8位数据。5.3.1 USART同步操作同步模式数据和时钟信号用于发送和接收串行数据。主机提供时钟和数据，从机利用这一时钟将串行信息移进或移出。4线SPI模式用附加控制线，来允许从机数据的发送和接收。它由主机控制。有3或4个信号用于数据交换：l SIMO： 从进、主出l SOMI： 从出、主进l UCLK： USART时钟，由主机驱动，从机用它发送和接收数据l STE： 从机发送允许，用于4线模式中控制多主从系统中的多个从机5.3.2 USART发送允许发送允许位UTXE允许或禁止字符移位到串行数据线。它的复位禁止发送器，但是活动的发送并不暂停，直到已写入发送缓存的数据全部发送完毕。继续向发送缓存写入数据不会产生数据发送。如UTXBUF就绪，发送请求将一直保持，一旦UTXE置位并且发送器为空，立即起动数据发送。STE的低电平信号将从总线上取消活动的主机（4线模式）。STE为低表明有另一主机请求成为活动的主机。USART发送允许，MSP430是主机图5.2 发送允许的状态图，MSP430为主机5.3.3 控制与状态寄存器USART硬件是字节结构，因此必须以字节指令访问（后缀“B”）表5.1控制与状态寄存器寄存器缩写寄存器类型地址初始状态USART控制寄存器UCTL读写070H见各位说明发送控制寄存器UTCTL读写071H接收控制寄存器URCTL读写072H调整控制寄存器UMCTL读写073H不变波特率寄存器0UBR0读写074H不变波特率寄存器1UBR1读写075H不变接收缓存URXBUF读写076H不变发送缓存UTXBUF读077H不变除非在功能描述中说明，PUC后所有位是随机的。由PUC或SWRST位执行USART复位。PUC后如SWRST保持置位，USART将维持在复位状态，直到SWRST复位使USART复位结束。PUC后禁止SPI模式。由定义SYNC位确定USART模块工作在异步模式或同步模式。控制寄存器的各位在两种模式中功能上有差异。下面各位及其功能的描述都是在同步模式下，即SYNC=。异步模式下的功能在USART串行接口UART模式部分中描述。5.3.4 USART控制寄存器控制寄存器的信息决定了USART模块的基本操作。寄存器位选择通信模式和字符位数。所有位根据选择模式的编程都应在因SWRST复位使USART复位之前进行。表5.2 USART控制寄存器 UCTL（070h)70未用未用未用CHARlistenSYNCMMSWRSTrw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-1位0：如SWRST置位，USART的状态机构和运行标志初始化成复位状态。所有受影响的逻辑保持在复位状态，直至SWRST复位。这意味着一次系统复位后，只有对SWRST复位，USART才能重新被允许。位1：当MM位置位，选择主机模式，当MM位复位，选择从机模式。位2：USART外围模块的模式选择。SYNC位选择USART外围接口模块的功能。USART的一些控制位在UART模式和SPI模式中有不同的功能。SYNC=0：UART模式SYNC=1：SPI模式位3：Listen位选择是否将发送数据内部反馈给接收器。位4：字符长度选择字符以7或8位发送。7位字符不用URXBUF和UTXBUF的最高位，这一位填“0”。CHAR=0：7位 CHAR=1：8位位5：未用位6：未用位7：未用5.3.5 发送控制寄存器UTCTL控制寄存器UTCTL控制与发送有关的 USART硬件。表5.3 USART发送控制寄存器 UTCTL（071h)70CKPHCKPLSSEL1SSEL0未用未用STCTXEPTrw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-1位0：发送移位寄存器和UTXBUF都为空时，发送器空标志TXEPT置位，并在数据写入UTXBUF时复位。它在SWRST置位。位1：从机发送控制位STC选择STE引脚信号在主机和从机中的使用STC=0：选择SPI的4线模式，STE信号用于使主机避免总线冲突，或用于在从机模式中控制发送和接收的允许。STC=1：选择SPI的3线模式，STE在主机、从机模式中不起作用。位2、3：未用位4、5：时钟源选择0、1只有当选择主机模式时，时钟源选择位定义用于波特率发生器的时钟源。SSEL1、SSEL00 选择外部时钟UCLK 1 选择辅助时钟ACLK 2、3 选择主系统时钟MCLK主机模式（MM=1），不能选UCLK上的外部时钟，因为主机将UCLK提供给所有从机。从机模式SSEL0，SSEL0是无关紧要的，这时总是用外部UCLK信号作为它的时钟。位6、7：时钟极性CKPL和时钟相位CKPH，CKPL位控制SPICLK信号的极性。CKPL=0：低电平为无效电平，数据在UCLK的上升沿输出，输入数据在下降沿锁存。CKPL=1：高电平为无效电平，数据在UCLK的下降沿输出，输入数据在上升沿锁存。CKPH位控制SPICLK信号的相位。CKPH=0：正常的UCLK时钟CKPH=1：UCLK被延迟半个周期。图5.3 USART的时钟相位和极性当工作在CKPH置位时，同步模式的USART在发送移位寄存器被装入数据有效后和UCLK的第一个沿前准备好数据第一位。数据在UCLK的第一个沿锁存，在第二个沿发送。5.3.6 波特率选择和调制控制寄存器波特率放生器用波特率选择寄存器的UBR1和UBR2来产生串行数据流的位定时。最小的分频因子为2。表5.4 USART波特率选择寄存器 UBR0（074h)702726252423222120rwrwrwrwrwrwrwrwUBR1（075h)702152142132122112102928rwrwrwrwrwrwrwrwMSP430系列，USART模块的波特率值设定是通过以下三个参数决定的：UxBR0,UxBR1,UxMCTL 波特率BRCLK/N BRCLK:时钟源; N:波特率产生的分频因子。N=UxBR1+UxBR0+UxMCTL,其中UxBR1+UxBR0为整数部分，UxMCTL为设定小数部分 举个实例：波特率2400，时钟源32.768kHz N=32768/240013.65 很明显：UxBR1+UxBR013，即UxBR10，UxBR013，主要是小数部分对于初学者不是很好理解; 首先把小数部分0.658，即5.2，取整后为5。这个5的意思就是在UxMCTL中的8位里要有5个1，剩下来的就是怎么分配这5个1的位置了。注意一点就是这5个1要相对分散点。 在这个设定中，UxMCTL取0x6B即：01101011，也可以是其它值。可选择的最大发送波特率，主机模式为波特率发生器输入时钟的一半，从机模式取决于在UCLK上提供的外部时钟。在串性同步通信时不需要用调整寄存器。建议将它复位（各位置为0）。表5.5 USART调整控制寄存器 UMCTL（073h)70m7m6m5m4m3m2m1m0rwrwrwrwrwrwrwrw5.4 nRF2401的操作5.4.1 nRF2401的发送状态ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。在ShockBurstTM收发模式下，nRF2401自动处理字头和CRC校验码。在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码，当发送过程完成后，DR引脚通知微处理器数据发射完毕。发送各状态转换图如图5.4所示：CS=0CE=0PWR_UP=1DR1=1加载数据等待数据PWR_UP=1CS=1CE=0配置上电等待空闲PWR_UP=0CS=0CE=0图5.4 发送各状态转换图5.4.2 nRF2401工作模式nRF2401具有多种工作模式，下面主要介绍选用的ShockBurst模式。nRF2401 ShockBurst 收发模式下，使用片内的先进先出(FIFO)堆栈区，数据低速从单片机送入，高速(1Mbps)发射，因此极大的降低了功耗。ShockBurstTM发射主要通过nRF2401的CE、CLK1和DATA三个接口管脚来完成。当单片机请求发送数据时，置CE为高电平，使nRF2401开始工作，此时单片机把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401，然后单片机将CE置为低电平，激发nRF2401进行ShockBurstTM发射。ShockBurstTM发射流程需要用到的接口引脚为CE，CLK1，DATAA.当微控制器有数据要发送时，其把CE置高，使nRF2401工作；B.把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRFRF2401；C.微控制器把CE置低，激发nRF2401进行ShockBurstTM发射；D. ShockBurstTM发射 (1)给射频前端供电； (2)射频数据打包(加字头、CRC校验码)； (3)高速发射数据包； (4)发射完成，nRF2401进入空闲状态。5.4.3 nRF2401 配置模式RF2401的初始配置子程序编程思想。单片机初始化后，将CE置低电平，CS