（通信与信息系统专业论文）基于nrf2401的无线数据通信.pdf

南京理工大学硕士论文 基于n r f 2 4 0 1 的无线数据通信 摘要 在剐过去的1 0 年中，因特网技术和微电子技术的飞速发展改变了整个世界。越 来越多的个人数字设备，比如电脑、手机、d v d 机、p d a 、扫描仪等进入了人们的生活。 这些设备大多数是靠电缆相连的。而大量出现的电缆给人们的生活带来了很多的不 便，于是很多替代电缆的技术应运而生。 蓝牙就是为替代电缆而开发出来的。现在蓝牙已成为短距离无线通信的一种很热 门的技术。但是由于蓝牙芯片的高昂价格，现在市场上仍很难见到蓝牙的产品。 n o r d i c 公司的n r f 2 4 0 1 无线收发一体芯片和蓝牙一样，同样工作在2 4 2 5 g h z 的i s m 波段。n r f 2 4 0 1 的单价低于3 美元，而且便于开发，产品上市时间短，应用广 泛，包括无线鼠标、无线键盘、无线操纵杆、无缝接入、无线数据传输、汽车应用等。 本文介绍了一个基于n r f 2 4 0 1 的短距离无线通信系统，分析了该系统的硬件电路， 设计软件设计和通信原理。n r f 2 4 0 1 在单片机a t 8 9 c 5 1 r b 2 的控制下，工作在突发模式， 可是现实全双工通信。关键技术包括n r f 2 4 0 1 的初始配置，在制含有数字和模拟电路 在一块p c b 板上时，如何合理布线的一些实用的技巧。在要求增加传输距离的情况下， 提出了增加发射功率的方案。经运行证明，系统稳定，易于控制，通信可靠。 关键词：蓝牙，n r f 2 4 0 1 ，单片机，a t 8 9 c s i r b 2 南京理工大学硕士学位论文基于n r f 2 4 0 1 的短距离无线通信 a b s t r a c t d u r i n gt h el a s t1 0y e a r sd r a m a t i ca n dr a p i dc h a n g e si ni n t e r n e tt e c h n o l o g i e sa n d m i c r o e l e c t r o n i e sh a v ec h a n g e dt h ew o r l d m o r ea n dm o r ep e r s o n a ld i g i t a la p p l i c a t i o n s ， l i k ec o m p u t e r , m o b i l ep h o n e ，d v dp l a y e r ，p d a ，s c a n n e rc o m ei n t oo u r d a i l yl i v e s m o s t o ft h e ma r ec o n n e c t e db yc a b l e s ，w h i c hb e c o m et h eb a n eo fm a n yo f f i c e s ，h o m e se t c s o m a n yc a b l e - r e p l a c e m e n tt e c h n o l o g i e sh a v eb e e nd e v e l o p e d b l u e t o o t hi so n eo ft h ep o p u l a rt e c h n o l o g i e sf o rs h o r t r a n g er a d i oc o m m u n i c a t i o n s ， o r i g i n a l l yd e v e l o p e da sac a b l er e p l a c e m e n tt oc o n n e c tp o r t a b l ed e v i c e s 。b u tn o wt h e r e a r es t i l ln o tm a n yb l u e t o o t hp r o d u c t so f f - t h e - s h e l fd u et ot h eh i 曲c o s to ft h eb l u e t o o t h c h i p s t h en r f 2 4 0 1c h i pp r o d u c e db yn o r d i ci sas i n g l e c h i pr a d i ot r a n s c e i v e rf o rt h e w o r l dw i d e2 4 - 2 5g h zi s mb a n d i ti sl e s st h a n3u sd o l l a r se a c hc h i p ，a n di ss h o r t t i m et om a r k e t i tc a nb ea p p l i e dw i d e l y , i n c l u d i n gw i r e l e s sm o u s e ，k e y b o a r d ，j o y s t i c k ， k e y l e s se n t r y , w i r e l e s sd a mc o m m u n i c a t i o na u t o m o t i v ee t c h e r ef lw i r e l e s ss h o r t - d i s t a n c ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nn r f 2 4 0 1a n ds c m a t 8 9 c 5 1 r b 2i si n t r o d u c e d t h es y s t e m sh a r d w a r e ，s o f t w a r ea n dt h ec i r c u i t sa r e a n a l y z e d ，a sw e l lt h et h e o r yo ft h ec o m m u n i c a t i o no ft h es y s t e m t h es y s t e mi s f u n c t i o n i n gi nt h es h o c k b u r s tm o d eo f n r f 2 4 0 1 ，w h i c hi sc o n t r o l l e db ya t 8 9 c 5 1 r b 2 ， a n di tc a r lr e a l i z ef u l ld u p l e xc o m m u n i c a t i o n t h ek e yt e c h n o l o g i e si n c l u d et h ei n i t i a l c o n f i g u r e do f t h en r f 2 4 0 1 ，t h ep r a c t i c a ll a y o u to f t h ei n t e g r a t i n gd i g i t a lc i r c u i t r ya n da r fc h i po nt h es a m eb o a r d ap l a nw i t hp a ( p o w e r a m p l i f i e r ) i sp u tf o r w a r d ，w h e nt h e e f f e c t i v er a n g eo fs y s t e mi sr e q u i r e dt oe n l a r g e t h es y s t e mi sp r o v e dt or u n r o b u s t ，e a s y t oc o n t r o la n dc o m m u n i c a t e ss t a b l e k e y w o r d s ：b l u e t o o t h ，n r f 2 4 0 1 ，s c m ，a t 8 9 c 5 1 r b 2 7 6 3 7 4 3 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：年月 曰 南京理工大学硕士学位论文 基于n r f 2 4 0 1 的短距离无线通信 1 绪言 近1 0 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，一些电子消费产品如p c 机、掌上电脑、移动电话、无绳电话等逐步进入人 们地日常生活。工作和学习中，成为人们生活中不可缺少地一部分。然而在这些设 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连接技术以解决此问题。其中，最流行的关于短距离无线 数据通信的3 个标准是蓝牙( b l u e t o o t h ) ，8 0 2 1 1 ( w i f i ) 和i r d a ，另外最近还出现 了u w b 和z i g b e e 。 1 1 蓝牙 爱立信在1 9 9 4 年开始研究一种能使手机与其附件( 如耳机) 之间互相通信的 无线模块，4 年后，爱立信、诺基亚、i b m 等公司共同推出了蓝牙技术，主要用于 通信和信息设备的无线连接。 蓝牙工作频率为2 4 g h z ，有效范围大约在l o m 半径内。在此范围内，作为一种 电缆替代技术，它可把内嵌有蓝牙芯片的计算机、手机和多种便携通信终端互联起 来，以约i m b s 的速率相互传递数据，为其提供语音和数字接入服务，实现信息 的自动交换和处理，并能方便地接入互联网。目前蓝牙技术开发重点是多点连接， 即一台设备同时与多台( 最多7 台) 其他设备互联。今后，市场上不同厂商的蓝牙 产品将能够相互联通。 蓝牙技术的应用主要有以下3 类： 1 ) 语音数据接入是指将台计算机通过安全的无线链路连接到通信设备 ：，完成与广域网的联接。 2 ) 外围设备瓦连是指将各种设备通过隘牙链路连接到卜机上。 3 ) 个人局域网( p e r s o n a la r e an e t w o r k ，p a n ) 如阁1 1 所示，上要用于个 人网络与信息的共享与交换。 蓝牙产品涉及p c 、笔记本电脑、移动电话等信息设备和a v 设备、汽车电子、 家用电器和工业设备领域。蓝牙的支持者们预言说，一旦支持蓝牙的芯片变得非常 便宜，蓝牙将置身于几乎所有产品之中，从微波炉一直到衣服上的纽扣。 蓝牙在个人局域网中获得了很大的成功，应用包括无绳电话，p d a 与计算机的 互联，笔记本电脑与手机的互联，以及无线r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 接口等。 采用蓝牙技术的设备使用方便，可自由移动。与无线局域网相比，蓝牙无线系 统更小、更轻薄，成本及功耗更低，信号的抗干扰能力强。 i b m 、索尼和东芝等公司已经推出同时支持蓝牙和8 0 2 1 1 b 的笔记本电脑。微 软也表示，一旦支持蓝牙的外围设备开始问世，出现了足够多的设备驱动程序，他 将在w i n d o w sx p 中增加对蓝牙的支持。韩国和台湾的许多公司也利用其在手机、 电脑开发制造上的优势，积极介入蓝牙技术的研发，并不断有产品推出。可以预料， 蓝牙技术将和p c 、移动电话、数码相机一样迅速流行。 p d 扫描仪 图1 1 个人局域网( p a n ) 打印机 1 2 8 0 2 1 1 ( w i f i ) w i f i ( w i r e l e s sf i d e l i t y ，无线高保真) 也是一种无线通信协议，正式名称是 i e e e 8 0 2 1 l b ，与蓝牙一样，同属于短距离无线通信技术。w i f i 速率最高可达1 1m b 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1 0 0m 左右，不用说家庭、办公室，就是小一点的整栋大楼也可使用。 最初的i e e e 8 0 2 1 1 规范是在1 9 9 7 年提出的，称为8 0 2 h b ，主要目的是提供 w l a n 接入，也是目前w l a n 的主要技术标准，它的工作频率也是2 4g h z ，与无绳 电话、蓝牙等许多不需频率使用许可证的无线设备共享同一频段。起先，w i f i 元 件昂贵，兼容性不好，安全性也不能令人满意。随着时间推移，这些问题逐步得到 解决，且随着w i - f i 协议新版本，如8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 l g 的先后推出，w i f i 的应 用将越来越广泛。 8 0 2 1 1 a 标准还没有被工业界广泛接受。它工作在5g h z 频率范围，传输速率 5 4m b s ，使用正交频分多路复用( o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ， o f d m ) 调制技术，比8 0 2 1 i b 采用的补码键控( c o m p l e m e n t a r yc o d ek e y i n g ，c c k ) 调制方案快，但它不后向兼容8 0 2 1 1 b 。 w i - f i 是以太网的一种无线扩展，理论上只要用户位于一个接入点四周的一定 2 南京理工大学硕士学位论文 基于n r f 2 4 0 1 的短距离无线通信 区域内，就能以最高约1 1m b s 的速度接入w e b 。但实际上，如果有多个用户同时 通过一个点接入，带宽被多个用户分享，w i - f i 的连接速度一般将只有几百k b s 。 它的信号不受墙壁阻隔，但在建筑物内的有效传输距离小于户外。 w i f i 技术的最具诱惑力的方面在于将w i f i 与基于x m l 或j a v a 的w e b 服务融 合起来之后，可以大幅度减少企业的i t 成本。例如，许多企业选择在每一层楼或 每一个部门配备8 0 2 1 l b 的接入点，而不是采用电缆线把整幢建筑物连接起来。这 样一来，可以节省大最铺设电缆所需花费的资金。 w l a n 未来最具潜力的应用将主要在s o h o ( s m a l lo f f i c eh o m eo f f i c e ，在家 办公) 、家庭无线网络以及不便安装电缆的建筑物或场所。目前这一技术的用户主 要来自机场、酒店、商场等公共热点场所。 微软推出的桌面操作系统w i n d o w sx p 和嵌入式操作系统w i n d o w sc e ，都包含 了对w i - f i 的支持。其中，w i n d o w sc e 同时还包含对w i - f i 的竞争对手蓝牙等其他 无线通信技术的支持。 由于投资8 0 2 1 l b 的费用降低，许多厂商介入这一领域。i n t e l 推出了集成w l a n 技术的笔记本电脑芯片组，不用外接无线网卡，就可实现无线上网。国内的联想、 清华同方、方正等公司都推出无线网卡等无线网络解决方案。 一些厂商为了争夺市场，推出同时支持8 0 2 1 l a ，8 0 2 1 i b 和8 0 2 1 l g 的芯片， 这种芯片可以在2 4g h z 和5 2g h z 的波段以5 4m b s 的速率传输数据。至少已 经有一家公司发布了同时支持w i f i 和蓝牙的芯片。摩托罗拉、诺基亚和韩国三星 公司等厂商，计划在他们的手机产品中加入w i f i 功能。 更多新的w 卜f i 标准正在制定之中。速度更快的8 0 2 1 l g 使用与8 0 2 1 l a 相同 的正交频分多路复用调制技术。它工作在2 4g h z 频段，速率达5 4 s 。比目前 通用的8 0 2 1 l b 快了5 倍。8 0 2 1 1 9 标准本质上扩展了8 0 2 1 l b 在2 4g h z 频段的 性能，通过使用o f d m 技术，获得了5 4m b s 的高速，并且完全向后兼容8 0 2 1 1 b ， 他将最终取代8 0 2 1 l a 。8 0 2 1 l g 虽然还在草稿阶段，但是根据最近国际消费电子 产品的发展趋势判断，8 0 2 i i g 将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产 品标准。 】3i r d a 红外线数据协会i r d a ( i n f r a r e dd a t aa s s o c i a t i o n ) 成立于1 9 9 3 年，是致力 于建立红外线无线连接的非营利组织。起初，采用i r d a 标准的无线设备仅能在lm 范围内以1 1 5 2k b s 速率传输数据，很快发展到4m b s 的速率，后来，速率又 达到1 6m b s 。 i r d a 是一种利用红外线进行点对点通信的技术，它也许是第一个实现无线个人 南京理工大学硕士学位论文 基于n r f 2 4 0 1 的短距离无线通信 局域网( p a n ) 的技术。目前它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备，如p d a 、 手机上广泛使用。事实上，当今每一个出厂的p d a 及许多手机、笔记本电脑、打印 机等产品都支持i r d a 。 i r d a 的主要优点是无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。他还具有 移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。由于数据传输率较 高，适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外，红外线发射角度较小，传输上安 全性高。 i r d a 的不足在于它是一种视距传输，2 个相互通信的设备之间必须对准，中间 不能被其他物体阻隔，因而该技术只能用于2 台( 非多台) 设备之间的连接。而蓝 牙就没有此限制，且不受墙壁的阻隔。i r d a 目前的研究方向是如何解决视距传输问 题及提高数据传输率。 】4u w b 超宽带技术u 1 】| b ( u l t r aw i d eb a n d ) 是另一种新发展起来的无线通信技术。u w b 通过基带脉冲作用于天线的方式发送数据。窄脉冲( 小于1n s ) 产生极大带宽的信 号。脉冲采用脉位调制( p u l s ep o s i t i o nm o d u l a t i o n ，p p m ) 或二进制移相键控 ( b i p h a s es h i f tk e y i n g ，b p s k ) 调制。u w b 被允许在3 1 1 0 6g h z 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。除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高( 大于1 0 0m b s ) 的l a n s 或p a n s 。 军事部门已对u w b 进行了多年研究，开发出了分辨率极高的雷达。直到2 0 0 2 年2 月1 4 日，美国f c c ( 联邦通信委员会) 才准许该技术进入民用领域。所以对于 商业和消费领域，u w b 还是新鲜事物。但据报道，一些公司已开发出u w b 收发器， 用于制造能够看穿墙壁、地面的雷达和图像装置，这种装置可以用来检查道路、桥 梁及其他混凝土和沥青结构建筑中的缺陷，可用于地下管线、电缆和建筑结构的定 位。另外，在消防、救援、治安防范及医疗、医学图像处理中都大有用武之地。 u w b 的一个非常有前途的应用是汽车防撞系统。戴姆勒克莱斯勒公司已经试制 出用于自动刹车系统的雷达。在不久的将来，这种防撞雷达将成为高级汽车的一个 选件。 u w b 最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网( p a n s ) 。考察现 有的无线通信方式，8 0 2 ，l l b 和蓝牙的速率太慢，不适合传输视频数据；5 4 她s 速率的8 0 2 1 1 a 标准可以处理视频数据，但费用昂贵。而u w b 有可能在1 0m 范围 内，支持高达1 1 0m b s 的数据传输率，不需要压缩数据，可以快速、简单、经济 地完成视频数据处理。 南京理工大学硕上学位论文基于n r f 2 4 0 1 的短距离无线通信 表1 1 列出了以上4 种短距离无线通信协议特性的比较。 蓝牙技术 8 0 2 1 l b 红外技术 u w b 发起时间1 9 9 8 年初 1 9 9 8 年中 1 9 9 3 年1 9 6 2 笠 传输介质2 4 g 射频 2 4 g 射频 9 8 0 n m 红外光3 1 1 0 6 g h z 系统功耗 较高 高 较低 最低 通信距离 i 0 0 米 3 0 0 米定向1 米小于1 0 米 通信速率 2 m b s 2 5 个 量3 5 个： 一根天线约 2 0 个 考虑到各种因素本方案最后选用n r f 2 4 0 1 无线收发一体芯片。n r f 2 4 0 1 芯片和 蓝牙芯片一样，都工作在2 4 g h z 自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。n r f 2 4 0 1 支持多点间通信，最高传输速率超过1 m b i t s ，而且比蓝牙具有更高的传输速度。 它采用s o c 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，n r f 2 4 0 1 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，n r f 2 4 0 1 比蓝牙产品更便宜。所以n r f 2 4 0 1 是业界体积较小、功 r 南京理工大学硕士学位论文 基于n r f 2 4 0 1 的短距离无线通信 耗较少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。 1 ) 主要特点 n r f 2 4 0 1 的引脚排列如图2 2 ( 顶视图) 所示。它采用5 m m 5 m m 的2 4 引脚q f n 封装。表1 所列是其引脚功能。n r f 2 4 0 1 的主要特点如下： 采用全球开放的2 4 g h z 频段，有1 2 5 个频道，可满足多频及跳频需要； 速率( 1 m b p s ) 高于蓝牙，且具有高数据吞吐量： 外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻b 口可设计射频电路； 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： 电源电压范围为1 9 3 6 v ，功耗很低； 电流消耗很小，- 5 d b m 输出功率时的典型峰值电流为i 0 5 m a ； 芯片内部设置有专门的稳压电路，因此使用任何电源( 包括d c d c 开关电源) 均有很好的通信效果； 每个芯片均可以通过软件设置最多4 0 b i t 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； 内置c r c 校验硬件电路和协议； 采用d u o c e i v e rt m 技术可同时接收两个n r f 2 4 0 1 的数据： 采用s h o c k b u r s tt m 模式时，能适用极低的功率操作和不严格的m c u 执行： 无需外部s a w 滤波器； 可1 0 0 r f 检验； 带有数据时隙和数据时钟恢复功能。 v d dp mu pv s sv d dv s s m i $ 圆圆圆圆圆圈 团固团圆回回 c l k id a t ad v d d v s sx c 2x c i 图2 2n r f 2 4 0 1 的引脚排列图( 顶视图) o d n n 哪 一 一 一 一 一 回回回圈回回 讧 啪 一 一 端 嗽 南京理工大学硕士学位论文 基于n r f 2 4 0 1 的短距离无线通信 n r f 2 4 0 1 引脚分布图( 顶视图) n r f 2 4 0 1 的内部结构原理及外部组成框图如图2 3 所示 2 ) 管脚功能 图2 3n r f 2 4 0 1 的内部结构原理 表2 2n r f 2 4 0 1 管脚功能 管脚名称管脚功能备注 1c e 数字输入用于激活芯片的接收或发送模式 2d r 2 数字输出数据通道2 接收数据准备好输出，表示可以接收数据 3c l k 2 数字输入接收数据通道的时钟输出输入 输出 4d o u t 2数字输出接收数据通道2 的输出 5 c s数字输入片选，用于激活配置模式 6d r i 数字输出该脚输出可用于表示数据通道l 接收数据准备好 7c l k l 数据输入在数据通道l 的3 一线接口发送时钟输入和接收的时钟输 输出出输入 8d a t a 数字输入接收通道1 发送数据输入3 一线接口 输出 9v d d 功率数字电源正端，使用时应退耦 1 0v s s 功率接地( o r ) l l x c 2 模拟输出晶振接入端 1 2 x c l模拟输入晶振接入端 1 0 童壅丝三查堂堡主堂焦丝苎 茎士! 些! 型塑塑堕至堕! i 笪 1 3v d dp a功率输出功率放大器电源端 1 4a n t l 射频 天线接口1 1 5a n t 2射频天线接口2 1 6 v s s p a 功率接地( o v ) 1 7v 叻 功率 + 3 y d c 电源端 1 8 v s s 功率接地( o v ) 1 93 r e f 模拟输入 参考电流输入端 2 0 v s s 功率接地( o v ) 2 1 v 叻 功率 + 3 vd c 电源端 2 2 v s s 功率接地( o v ) 2 3 p w r - u p数字输入 功率上限 2 4 v d d 功率 + 3 vd c 电源端 n r f 2 4 0 1 的一些管脚具体功能如下：p w r u p 为上电端，c e 为工作状态使能端， c s 为片选端，控制器通过对n r f 2 4 0 1 的p w r _ u p 、c e 和c s 管脚状态组合设置，控制 n r f 2 4 0 1 的主工作方式。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、配置或保持方式。当p w r _ u p 置0 时，芯片处于掉电状态。c l k l 、c l k 2 为通道1 、2 时钟信号端。由控制器提供，在突发模式下，在时钟信号的下降沿从 n r f 2 4 0 1 的d a t a 管脚读出数据。d a t a 、) o u t 为通道1 、2 数据端。控制器与n r f 2 4 0 1 由c l k 、d r 和d a t a 组成的三线接口交换传输的数据。通道l 可接收和发送数据， 通道2 只能接收数据。 3 ) 状态字 各状态字位功能如下： 表2 3n r f 2 4 0 1 的状态字 位置个数名称功能 s h o c k b s r s t1 4 3 1 2 02 4t e x t 测试保留 模式设置1 1 9 一1 1 28d a t a 2w通道2 数据段长度 1 1 1 1 0 48d a t a lw通道l 数据段长度 1 0 3 6 44 0a d d r 2 通道2 硬件地址 6 3 2 44 0a 叻r l 通道1 硬件地址 2 3 1 86a 叻rw 地址段长度 1 7lc r cl检验段长度，值为i ，是1 6 b i t 。为0 是8 b i t 1 6lc r ce n 检验使能，值为1 ，是校验有效，为0 是无效 南京理工大学硕士学位论文 基于n r f 2 4 0 1 的短距离无线通信 一般设置 1 5lr x 2 e n启用通道数，值为l ，是两通道，为0 是单通 道 1 4lc m 通信模式，值为1 ，表示突发模式，为0 表示 直接传递模式 1 31r f d rs b通信数率，值为1 ，表示i k b i t s ，为0 表示 2 5 0 k b i t s 1 2 - 1 0 3 x 0f 晶振频率，值为0 1 1 时表示1 6 j z 9 82r f p w r 输出功率，值为1 1 7 17r f c h # 设置工作频率，值为x ，则通道1 为2 4 0 0 _ i h z + x * i o 姗z o1r x e n 工作状态，值为1 表示接收状态，为0 表示发 送状态 n r f 2 4 0 1 具有1 4 4 位状态字。控制器将n r f 2 4 0 1 设为配置方式，然后由通道1 向n r f 2 4 0 1 写入状态字的配置值，写时高位在前。配置方式下控制器写状态字的过 程与激活方式下向n r f 2 4 0 1 写人数据的过程完全相同，都经由c l k 、d r 和d a t a 组 成的三线接口完成。 数据帧格式 p r e - a m b l e 为数据包头，可设为4 b i t 或8 b i t 。它的值与a d d r e s s 第1 位有关。 当a d d r e s s 第1 位为0 时，包头取值为“o l o l o l 0 1 ”，反之则为“1 0 1 0 1 0 1 0 ”。一 帧数据从a d d r e s s 到c r c 最多包含2 5 6 b i t 。a d d r e s s 为接收方通道硬件地址段，可 设为8 b i t 4 0 b i t ，只有符合本机硬件地址的数据帧才会被接收。c r c 为数据校验 段，可设定8 b i t 或1 6 b i t 校验位。p l y l o a d 段为待发送数据段，长度为帧长度减去 a d d r e s s 段和c r c 段的长度。 发送数据时，控制器将数据写入n r f 2 4 0 1 ，控制其将数据按帧格式打包无线发 送；接收数据时，n r f 2 4 0 1 一旦检测到符合本机硬件地址的数据帧，便将数据帧解 包，d r 信号置1 提请控制器读取数据。 4 ) 工作模式。 n r f 2 4 0 1 具有多种工作模式，下面主要介绍s h o c k b u r s t 模式。 n r f 2 4 0 1 的s h o c k b u r s tr x t x 模式采用片上先进先出( f i f o ) 来进行低数据 率的时钟同步和高数据率的传输，因此极大的降低了功耗。s h o c k b u r s tt m 发射主要 通过m c u 接口引脚c e 、e l k l 和d a t a 来完成。当m c u 请求发送数据时，置c e 为高 电平，此时的接收机地址和有效载荷数据作为n r f 2 4 0 1 的内部时钟，可用请求协议 或m c u 将速率调至1 m b p s ：置c e 为低电平可激活s h o c k b u r s t 发射。s h o c k b u r s t 接 南京理工大学硕士学位论文 基于n r f 2 4 0 1 的短距离无线通信 收主要使用m c u 接口引脚c e 、d r l 、c l k l 和d a t a 来实现。当正确设置射频包输入 载荷的地址和大小后，置c e 为高电平可激活r x 。此后便可在n r f 2 4 0 1 监测信息输 入2 0 0 us ，若收到有效数据包，则给m c u 一个中断并置d r i 为高电平，以使m c u 以 时钟形式输出有效载荷数据，待系统收到全部数据后，n r f 2 4 0 1 再置d r l 为低：此 时如果c e 保持高电平，则等待新的数据包。若c e 置低电平，则开始接收新的序列。 2 2 2 单片机a t 8 9 c 5 1 r b 2 单片机是把c p u 、内存及i o 压缩在同一块芯片上，再外加一些电子元件便可 以构成一套简易的控制系统。如此一来可以降低硬件成本，由于单片机芯片设计及 制造技术的限制，在面积有限的芯片上无法设计出太大的内存空间，因此单片机上 r o m 及r a m 的容量都比较小，不过却也加入了位输入输出控制，计时计数器及外部 中断的控制功能，有些单片机还有串行传输的接口，甚至还提供a d ( 模拟至数字转 换) 及d a ( 数字至模拟转换) 的接口，真可谓麻雀虽小五脏俱全。 8 0 5 1 是i n t e l 公司开发出来的一块相当成功的单片机，现在已普遍地应用在工 业界中，由于其使用的普及，因此目前有好几家设计半导体芯片的公司也制造与 8 0 5 1 兼容的单片机，有些公司所制造出来的单片机其执行速度更快，可以高达4 0 m h z 。 a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 1 r b 2 单片机是8 0 5 1 的兼容机，是一种低功耗、高性能的 8 位c m o s 单片机。片内含有1 6 k bf l a s hr o m ，1 2 8 0 字节r a m ，8 位数据总线，4 个 串行i o 端口，3 2 条i o 线，3 个1 6 位定时计数器，9 个中断源，片内振荡器和 时钟电路，工作频率4 0 m h z 工作电压范围为2 7 5 5 v ( 实际使用+ 5 v 供电) 。其主 要特性为： 高速构架，具有多种工作频率 具有i s p ( i n s y s t e mp r o g r a m m i n g ) 串行在线下载擦写功能，可直接在电 路板上进行程序修改、烧录等操作。 具有片1 0 2 4 b y t e s 的扩展r a m ( x r a m ) 具有键盘中断接口p 1 主从模式的同步串行s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 接口 8 - b i t 的时钟预换算装置 改进的x 2 模式，可以独立选择c p u 和每个外设 可编程的5 通道计数阵列 异步r e s e t 端口 全双工增强型通用串行接口u a r t u a r t 专用的波特率发生器 南京理工大学硕士学位论文 基于n r f 2 4 0 1 的短距离无线通信 硬件的看门狗计时器 具有休眠省电功能( p o w e r d o w n ) 和闲置( i d l e ) 低功耗功能 a t 8 9 c 5 1 r b 2 设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软 件可选的省电模式。在闲置模式( i d l e ) 下，c p u 停止工作，但r a m 、定时器、计数 器、串口和中断系统仍在工作。在掉电模式( p o w e r d o w n ) 下，保存r a m 的内容并 且冻结振荡器，禁止芯片的所用其他功能，直到下一个硬件复位为止。 三种封装形式：p d i l 4 0 、p l c c 4 4 、v q f p 4 4 ，其中p l c c 4 4 如图2 4 ： p 15 ，c e x 2 _ i s o p 1 6 c e x 3 ， ，c k p 7 惦e x 4 删0 8 i 髓t p 3 谢r x d n i c 。 p 3 1 门、d p 32 ，i n t o p 3 3 ，i n t l p 3 4 ，t 0 p 3 ，s 叮1 警譬姑 滋l：皇莹| ；銎室 6543214 4 4 34 24 14 0 p l c c 4 4 1 8 1 9 2 0 2 12 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 p o 壤卧 p o 5 ， d 5 p 06 , a d 6 p 0 7 ， d 7 e l c l e 萨藏而 f c l 圈 p 乏7 ，a 1 s p 2 6 填1 4 p 2 s a 1 3 1 i 1 藿ll 莹窆i ；lil臣芷x型登醛醛垂 图2 4a t 8 9 c 5 1 r b 2 的p l c c 4 4 封装 ( 1 ) 管脚说明和主要特性 v c c ：供电电压。 g n d ：接地。 p o 口：p o 口为一个8 位漏级开路双向i o 口，每脚可吸收8 t t l 门电流。当p 1 口的管脚第一次写1 时，被定义为高阻输入。p o 能够用于外部程序数据存储器，它 可以被定义为数据地址的第八位。在f i a s h 编程时，p o 口作为原码输入口，当f i a s h 进行校验时，p 0 输出原码，此时p 0 外部必须被拉高。 p 1e l ：p 1 口是一个内部提供上拉电阻的8 位双向i 0 口，p 1 口缓冲器能接收 输出4 t t l 门电流。p l 口管脚写入l 后，被内部上拉为高，可用作输入，p 1 口被外 部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉