基于射频模块nRF24E1的无线系统的研究与开发

　　摘要：本文通过研究nRF24E1这款无线传输芯片，开发了可在2.4GHz频段进行无线收发的通信系统，它可进行点对多点通信，可传送传感器侧的环境信息，还可进行对不同设备的远程无线下载等，在无线通信技术领域中有着广泛的应用范畴。

　　关键词：无线通信, 2.4G频段, 远程无线下载

　　1.引言

　　随着嵌入式系统和无线网络的发展，两者已能紧密结合在一起。而且随着无线应用领域的扩大，工作在ISM（工业、科学和医学）标准的2.4GHz自由免费频段，已成为研究的焦点。例如Wi-Fi、BlueTooth、Zigbee等无线传输协议都是应用在2.4GHz频段上，并以其数据率高、节点分布广等特点广泛的应用于科研、家庭、军事等各个领域。本文研究的系统以NORDIC nRF24E1无线芯片为基础，它是一款带增强型8051内核的无线收发模块，适用于各种无线设备互联的应用场合，工作于ISM频段，有125个频点，能够实现点对点、点对多点的无线通信，同时可采用改频和跳频来避免干扰。该系统已应用于无线环境参数（包括温度、湿度、红外信号等）的采集和处理；无线远程下载，可适用于将动态变化的控制程序下载到不断移动的设备上，来控制其做出不同的反应，例如机器人的遥控、超级市场的动态价格指示等等。

　　2.系统原理及流程

　　2.1 工作原理和流程

　　该系统主要由程序下载单片机、无线模块nRF24E1、SPI存储器EEPROM、前端采集模块或功能显示界面及串行口组成。程序下载单片机（如AT89S52）通过串行口与PC机连接，接收PC机下载的执行程序，并存储到SPI存储器中，配置nRF24E1内的51核。在数据采集系统中，nRF24E1无线模块上电后读取SPI存储器中的执行程序，读取前端采集的数据，并通过nRF24E1中的无线收发模块实现无线发送。在远程下载系统中，发送端将要在24E1模块中执行的程序在无线环境中传输，接收端运行结果在终端（PC、液晶屏等）上显示，以适应动态变化要求。

系统模式图如下：


图1：系统模型

　　2.2 硬件设计

　　在硬件上，本系统研制了SPI总线下载器，将24E1的模块作为外插件附于其上。开发板上包括串口电平转换部分、89S52单片机部分、24E1可拔插模块及控制部分、电源管理部分。开发板由5V电源供电，转换为3.3V向芯片输出，由继电器DS2Y-3控制下载完程序后24E1模块的上电。两个串口一个用作89S52控制PC向EEPROM传递程序，另一个与24E1相连，使得其接收到的或采集的数据可在串口显示。控制射频模块与EEPROM进行数据交换的是几片逻辑芯片74LVC1G125、74AHC1G32，有效的隔离了以EEPROM为分界的程序下载和加载过程。

　　在两种应用的系统中，发射端的硬件设计是一致的，在接收端：数据采集系统将传感器与24E1模块引出的I/O相连，由内部8051内核控制；远程程序下载系统将运行结果通过串口或USB口与PC等其它设备相连，或外接液晶屏显示。

　　2.3 软件控制

　　nRF24E1内的51核相对普通8051作了一定的扩展，一般编译器不能完全支持nRF24E1。Keil C51 V7.01及其以上的版本都支持nRF24E1，因此，编程非常方便。此系统的软件分以下几个部分：发送端的上位机软件由VC开发，主要实现控制程序到HEX文件的转换及通过串口和单片机89S52向EEPROM 25AA320的下载。其中温度采集系统的控制程序实现对24E1的配置、利用片内51核进行温度等的采集、并将采集到的数据通过射频模块发送；接收端将收到的温度信息送到串口显示。远程下载系统的控制程序实现24E1的配置和发送对接收端进行下载编程的程序；接收端将收到的程序导入负责程序执行的4KB RAM中，对于它相连的设备进行控制或将运行结果显示出来。

　　(1)上位机下载软件

　　将转换成HEX格式的文件向串口下载，同时在后台运行烧入89S52的下载控制程序，不断监测串口是否有数据输出，一旦发现则通过单片机的SPI总线下载到外部ROM。EEPROM 25AA320是SPI接口的存储器，有标准的控制信号SDO、SCK、SCI,在SCK脉冲的上升沿进行数据的写入，每次写入都要将25320的CS信号选通，同时将WP(写保护)信号关掉，这同时也断掉了25320到24E1方向的通路。写入EEPROM的数据都要以以下格式传送：


　　其中SPEED和XO_FREQ为VC界面上的下载速度和晶振频率。

　　程序下载完毕后，继电器控制射频模块上电，软件将WP信号置位，就切断了程序下载过程，也将程序存储器与24E1之间的通路打开，nRF24E1通过SPI口与EEPROM进行连接。上电后，电路可在512B ROM中存储的引导程序的控制下，通过SPI总线将EEPROM中存储的用户程序传送至nRF24E1的4KB RAM程序运行空间中，从而把控制的任务转到用户程序。这样，24E1内部的单片机就开始执行控制程序的工作了。
　　（2）无线收发协议及流程

　　射频模块的无线传输有两种模式：ShockBurst Mode和Direct Mode，24E1只支持前者，这种技术使用片上的FIFO的方式在8051MCU与射频模块之间进行数传，保证了较低的数据传输率(10Kbps)和较高的数据发送速率（可达1Mbps），从而节省了能量。数据在空中传输的帧格式如下：


　　地址和数据字段的长度在配置24E1时均可定义,PRE-AMBLE和CRC校验字段均为系统在成帧后自动加上。

发送流程如下：


接收流程如下：


　　发送和接受都由8位RADIO寄存器控制，发送时定义了两个通道的时钟和一位数据；接收时受PWR_UP、CE、CS信号联合控制，要严格遵守时序。

　　由于系统要设计一对多机的通信过程，所以要应用到跳频技术。在传统的调频通信技术中，使传输频率以突发脉冲序列为基础进行跳变，不同突发脉冲序列上的数据采用不同的频率进行传送。在本套系统中，24E1的频段是2400MHz~2527MHz范围，定义：ChannelRF=2400MHz+RF_CH*1.0MHz,由于24E1是一发二收的机制，发送端同一频点（RF_CH）的两个接收通道（channel）频率相差8MHz，都在初始化时由相应的寄存器控制。

　　需要提出的是，在远程程序下载系统中，在接收端的程序设计要相对复杂一些。它收到的是对其它设备进行控制的程序，有两个办法：一是将整段程序送到与之相连的带MCU的设备处理；二是在24E1内再写一段bootloader，将接收的程序引导入内部的程序执行区域，由8051运行并输出结果。两种方法都可行，开发人员可视具体系统而定。

　　3.创新点与完善

　　本论文完成的整个系统投入较低，作为无线传输设备， nRF系列单片机易于开发，通信协议简单，只要掌握51的编程规范，很容易上手。另外，结合各类传感器的使用，nRF系列单片可用于多种数据的采集；可以在此基础上，方便地开发无线传感网络的节点。可用软件完成跳频通信，实现点对多点的数据传输。该系统用于无线编程下载，也有很大的应用前景，国外很多基于无线的编程控制系统已投入使用。目前，USB这种即插即拔的接口设备以其方便的特性有越来越多的应用，在此系统的基础上，可用一块CP2102（USB转串口芯片）用USB代替串口，实现更大的应用价值。

　　日前，ZigBee(802.15.4)技术已成为无线传输的热点，它以低功耗、低成本、时延短、容量大等特点，被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。它同样使用2.4GHz波段，采用跳频技术。我们完成的基于nRF24E1的系统还可以参照ZigBee协议，进一步拓展通信协议，实现更完善的功能。

参考文献
1. NORDIC nRF24E1 PRELIMINARY PRODUCT SPECIFICATION http://www.nordicsemi.no/
2. nRF24E1 PCB设计指南
3. 肖金球.《单片机接口技术》[M] 北京：清华大学出版社 2004
4 孙利民.无线传感器网络[M] 北京：清华大学出版社 2005

作者：杨婷婷 叶玲 南京邮电大学   来源：网络通信世界