单片机无线通信系统的设计与实现

单片机无线通信系统的设计与实现 摘要：介绍了以STC89C52单片机为控制核心，以SPI总线接口为主从连接方式，选取nRF24L01为无线模块的的单片机无线数据通信系统。主要介绍了系统组成、硬件电路及软件设计。该系统能可靠稳定的实现无线数据传输，也便于扩展，应用于各个无线通信领域中。 关键词：SPI nRF24L01 无线数据通信 中图分类号：TP368.12 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）04-0038-02 1 引言 有线模式下的数据传输系统，布线复杂，且排障困难，同时也受到空间、环境等条件的制约，从而无法完成特殊环境下的数据传输，而无线数据传输系统不受空间及环境的制约能够很好的解决有线数据传输系统存在的问题。本文提出的以STC89C52单片机为控制核心，nRF24L01为无线模块的的单片机无线数据通信系统的方案，其硬件电路简单，功能实现稳定，可轻松的移植到各需要无线传输功能的系统中。 2 系统实现方案 系统主要由发送及接收两个模块组成，每个模块均由单片机及与之相连的无线收发芯片组成。系统原理框图如下。发送时，单片机通过SPI总线接口控制无线收发芯片及写入所需发送的数据，RF芯片再通过天线发送无线信号；无线信号在空中媒介传输。接收时，RF无线芯片首先通过天线接收数据，单片机再通过SPI总线接口读取RF工作状态信息，读取接收到的数据。这样便实现了两个模块之间的无线通信。 3 硬件选型 3.1 控制芯片的选择 STC89C52单片机因其具有低功耗、超强抗干扰性及高性价比等优点，越来越广泛的应用于各嵌入式系统中。指令代码完全兼容传统8051单片机，且有12/6双选择时钟周期。8KB FLASH，512B RAM数据寄存器，32I/O口线，看门狗定时器，内置4KB E2PROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，全双工串行口。能完全满足智能控制系统的要求，对于本系统的设计非常适用。 3.2 无线收发芯片的选择 nRF24L01是Nordic公司推出的一款工作在 2.4GHz免费ISM 频段的无线射频收发芯片。是由频率发生器、功率放大器、晶振、增强型 SchockBurstTM模式控制器、调制解调器等功能模块组成。同时，nRF24L01芯片还具有以下主要特点： （1）采用GFSK 调制，具有高抗扰性。（2）工作电压为1.9-3.6V，待机状态下电流消耗为22uA；掉电模式下电流消耗为900nA，真正的低功耗芯片。（3）具有硬件CRC检错功能。（4）嵌入了硬件链路层，减少了外围器件的复杂程度，同时降低了成本。（5）与单片机连接简易，只需相应引脚相连。（6）增强型SchockBurstTM功能，可自动应答及自动重发。（7）125个可选工作频道，具有点对多点通信地址功能，可以实现1对1或是1对6的无线通信。（8）可与nRF24XX 系列无线射频芯片兼容。（9）具有SPI总线接口功能。 4 硬件电路 本无线数据通信系统主要由STC89C52单片机，nRF24L01无线收发芯片，ASM1117稳压电路（因nRF24L01无线收发芯片工作于3.3V电压下），RS232串口电路（主要用于程序的下载及调试），复位电路，及外设晶振电路组成。 4.1 无线收发电路 STC89C52单片机采用模拟SPI接口总线的方式实现对无线收发芯片nRF24L01传输控制字，配置其工作状态及传输数据，同时也通过此接口读取nRF24L01无线收发芯片的工作状态并根据状态信息对其进行相应控制。主要做法是将nRF24L01无线收发芯片的CE（芯片模式控制线）、CSN（SPI片选使能）、SCK（SPI时钟信号）、MOSI（主机输出从机输入）、MISO（主机输入从机输出）、IRQ（中断）分别与STC89C52单片机的P1.1、P1.2 、P1.7、P1.5、 P1.6及P1.3引脚相连。模拟出SPI总线接口。其电路原理图如2所示： 4.2 串口通信电路设计 将信号经MAX232电平转换，再通过RS232总线可将数据从无线系统传输到PC机，同时也可反向将数据从PC机传递到无线系统，此串口还可以用于程序的下载及调试。串口通信电路如图3所示。 4.3 电源转换电路 本系统选取的无线模块nRF24L01的工作电压为1.93.6V。所以本系统选取3.3V的直流电源为无线模块进行供电。此3.3V直流电源是通过ASM1117稳压芯片转换得到的，其电源转换电路如图4所示。 5 软件设计 系统软件设计的第一步是对芯片的初始化，使能芯片，将CSN置低，配置nRF24L01芯片各寄存器。主要配置如下：（1）写发送节点的地址。（2）写接收节点的地址。（3）使能自动应答。（4）使能接收数据通道。（5）配置自动重发次数。（6）选择通信频道。（7）配置低噪放大器增益、无线速率及发射功率。（8）配置有效数据宽度。（）配置芯片工作模式。 其中主要的是配置RF24L01芯片的工作模式，主要是通过改变CE引脚及配置寄存器CONFIG中的 PWR_UP位的高低电平来切换工作状态。具体工作模式如表1。 发送模块或接收模块检测到其发送缓冲区或接收缓冲区有数据后。将会启动发送或接收模式。将数据发出或接收。将会出现三种情况将IRQ引脚拉低：（1）Tx FIFO发送数据完成并且收到应答信号，TX_DS位置高。（2）Rx FIFO收到数据，RX_DR位置高。（3）达到最大重发次数，MAX_RT位置高。中断产生后，通知MCU做出相应处理。同时无线收发模块进入待机模式。 nRF24L01数据的收发主要是通过SPI总线接口实现的，而本系统是通过STC89C52单片机的P1口模拟出SPI接口。SPI接口主要工作是当无线收发芯片在配置模式下时通过此接口配置nRF24L01各寄存器，设定工作参数或当无线收发芯片在接收或发送模式下时，单片机通过SPI接口发送及接收数据。 6 结语 本文主要介绍了基于STC89C52单片机和nRF24L01无线收发芯片设计的一款无线数据通信系统。给出了系统结构组成，硬件电路，及部分关键软件代码。该系统结构简单，且功能实现简易。可应用于无线遥控