摘 要: 給出了一種基于NRF24E1芯片的無線組網(wǎng)新方法。介紹了關(guān)于無線片上系統(tǒng)" title="片上系統(tǒng)">片上系統(tǒng)NRF24E1芯片的相關(guān)知識，并結(jié)合一個(gè)具體的無線點(diǎn)菜" title="無線點(diǎn)菜">無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和架構(gòu)過程，對用NRF24E1芯片無線組網(wǎng)的具體方案進(jìn)行了細(xì)致的闡述。
關(guān)鍵詞: NRF24E1 無線片上系統(tǒng)? IEEE802.11b? ShockBurst
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在短距離的通信中，無線技術(shù)被普遍看好，其中射頻技術(shù)因其功耗低和無方向性等優(yōu)點(diǎn)而受到青睞。通信頻率為2.4GHz的頻段是全球開放的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段，人們無需申請?jiān)S可證即可使用，給開發(fā)者和用戶帶來了很大方便；同時(shí)，該頻率又可以有效地避免低頻段信號、各類電火花以及家用電器等的干擾。由于這一頻段具有的優(yōu)點(diǎn)，其他的一些應(yīng)用，例如藍(lán)牙(BlueTooth)、無線局域網(wǎng)(WLAN)也在這一頻段；但藍(lán)牙和無線局域網(wǎng)對于工業(yè)控制、醫(yī)療傳感器、智能自動(dòng)化裝置等設(shè)備來說，過于復(fù)雜，其成本也過高，很難滿足快速開發(fā)和低成本的要求。因此，目前迫切需要一種低成本、低功耗、能夠快速開發(fā)應(yīng)用的方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無線連接。
本文結(jié)合無線片上系統(tǒng)NRF24El芯片的具體系統(tǒng)開發(fā)實(shí)例，研究一種無線組網(wǎng)技術(shù)。
1 無線片上系統(tǒng)NRF24E1
NRF24E1 是一種工作頻率可達(dá)到2.4GHz的無線射頻收發(fā)芯片。內(nèi)部嵌有與 8051 兼容的微處理器和10位9路A/D轉(zhuǎn)換器，可以在 1.9～3.6V電壓下穩(wěn)定工作。其內(nèi)部還有電壓調(diào)整器和VDD電壓監(jiān)視，通道轉(zhuǎn)換時(shí)間小于200微秒，數(shù)據(jù)速率1Mbps，不需要外接 SAW 濾波器。
NRF24E1是目前首次推出的全球2.4GHz通用的、完整低成本射頻系統(tǒng)級芯片。無線收發(fā)" title="無線收發(fā)">無線收發(fā)部分有與nRF2401同樣的功能。該功能由外部并行口和外部 SPI 啟動(dòng)，每一個(gè)待發(fā)信號對于處理器來講都可以作為中斷來編程，或者通過GPIO端口實(shí)現(xiàn)。NRF24E1是一個(gè)可以在全球公用的頻段范圍(2.4～2.5 GHz)內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線通信的芯片。收發(fā)機(jī)包含 1 個(gè)完全集成的分頻器、放大器、調(diào)節(jié)器和 2 個(gè)收發(fā)單元。輸出能量、頻段等射頻參數(shù)，可通過射頻寄存器方便地編程調(diào)節(jié)。在發(fā)送模式下，電流消耗只有10.5mA；在接收模式下，只有 18mA，所以功耗相當(dāng)?shù)汀?BR> 圖1是NRF24E1芯片示意圖。從圖中看到，NRF24E1由一個(gè)8051微控制器" title="微控制器">微控制器內(nèi)核和一個(gè)NRF2401 無線收發(fā)器組成，芯片包括：增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核、無線收發(fā)器 NRF2401、9路100ksps的10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、UART 異步串口、SPI 接口、PWM 輸出、RC振蕩器、看門狗和喚醒定時(shí)器以及內(nèi)置的專用穩(wěn)壓電路等。
在 NRF24E1 的內(nèi)部存儲空間中，512B ROM 用于存儲引導(dǎo)程序。上電后，它可將 EEPROM 中存儲的程序下載到 4KB RAM 的程序運(yùn)行空間，另外的 256B RAM為數(shù)據(jù)存儲器。無線收發(fā)器 NRF2401 可以通過軟件編程來設(shè)定接收地址、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、無線傳輸速率、無線收發(fā)模式、CRC 校驗(yàn)和的長度以及有效數(shù)據(jù)的長度等無線通信參數(shù)。
NRF24E1的典型應(yīng)用電路原理圖如圖2，從圖中看到，采用 Nordic NRF24E1 無線單片機(jī)芯片設(shè)計(jì)的線路非常簡單，外圍零件很少，也非常容易進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)。
NRF24E1 體積小、功耗低，因此非常適用于對體積和功耗要求較高的應(yīng)用場合?？蓮V泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外設(shè)、無線耳機(jī)、玩具、游戲手柄、汽車電子、醫(yī)療器械、遙控和工業(yè)傳感器等方面。
2 具體組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)
結(jié)合前面的知識，再來看看基于NRF24E1芯片的短距離無線網(wǎng)絡(luò)具體應(yīng)該如何組網(wǎng)。這里以一個(gè)具體的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)為例。
2.1 系統(tǒng)功能
該無線點(diǎn)菜系統(tǒng)采用NRF24E1芯片設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過無線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)點(diǎn)菜系統(tǒng)后臺服務(wù)器與計(jì)算機(jī)收銀管理系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)從點(diǎn)菜、出菜、加菜、撤菜等從菜品進(jìn)廚房直至結(jié)賬的全過程自動(dòng)化。
該系統(tǒng)的功能流程是：餐廳內(nèi)的就餐點(diǎn)和餐廳外的外賣點(diǎn)都可以通過無線發(fā)送/接收終端輔助完成點(diǎn)菜，并通過無線傳輸將點(diǎn)菜數(shù)據(jù)傳送至后臺服務(wù)器，再由服務(wù)器進(jìn)行分單打印和數(shù)據(jù)無線傳輸至收銀用機(jī)、傳菜用機(jī)，根據(jù)所得數(shù)據(jù)，收銀機(jī)結(jié)帳并打印帳單，傳菜機(jī)打印、傳菜、劃單，最后由服務(wù)員完成送菜、上菜。
2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
無線點(diǎn)菜系統(tǒng)中點(diǎn)菜模塊外觀及總體設(shè)計(jì)圖如圖3所示，其中發(fā)送、接收端通過NRF24E1芯片實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。
無線點(diǎn)菜系統(tǒng)中點(diǎn)菜模塊系統(tǒng)流程圖如圖4所示。
首先由用戶在點(diǎn)菜終端輸入用戶號和密碼（刷卡）登錄，餐廳內(nèi)的就餐點(diǎn)由服務(wù)員輸入信息進(jìn)入系統(tǒng)。當(dāng)驗(yàn)證用戶合法后，用戶可以進(jìn)行點(diǎn)菜操作，點(diǎn)菜時(shí)直接通過菜肴的編碼和加減運(yùn)算符組合輸入即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)菜，方便快捷，具體編碼可參考無線點(diǎn)菜終端使用說明書。用戶點(diǎn)菜輸入并“確認(rèn)”后，無線點(diǎn)菜終端將用戶已點(diǎn)菜肴信息顯示輸出，用戶核對無誤，再次“確認(rèn)”點(diǎn)菜，如需加菜、減菜，可按“取消”鍵回到上一步，同樣通過菜肴的編碼和加減運(yùn)算符組合輸入來實(shí)現(xiàn)加減菜。用戶完成點(diǎn)菜后，無線點(diǎn)菜終端會將點(diǎn)菜數(shù)據(jù)傳輸給遠(yuǎn)程服務(wù)器，并給出“您已成功點(diǎn)菜！”的顯示信息，用戶此時(shí)可以退出系統(tǒng)。
2.3 發(fā)送端總體設(shè)計(jì)
基于NRF24E1的點(diǎn)菜發(fā)送端需要有鍵盤進(jìn)行點(diǎn)菜的數(shù)據(jù)輸入，同時(shí)還需要一個(gè)液晶顯示屏來顯示點(diǎn)菜信息。因此，整個(gè)發(fā)送端可大致分為主控制器、鍵盤、鍵盤編解碼、LCD、電壓轉(zhuǎn)換等部分，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。
2.4 無線收發(fā)設(shè)計(jì)
NRF24E1收發(fā)器的收發(fā)任務(wù)由NRF2401子系統(tǒng)控制，NRF2401子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。
收發(fā)功能由特殊功能寄存器中的RADIO和SPI_ CTRL控制。SPI_ CTRL=0X00時(shí)，SPI不用；SPI_ CTRL=0X01時(shí)，SPI連接到P1口；SPI_ CTRL=0X10時(shí)，SPI連接到第一個(gè)NRF2401頻道；SPI_ CTRL=0X11時(shí)，SPI連接到第二個(gè)NRF2401頻道。
RADIO寄存器中的3個(gè)位PWR_UP、CE、CS可以用來控制NRF2401子系統(tǒng)的工作模式。當(dāng)PWR_UP=1，CE=1，CS=0時(shí)為收發(fā)方式；當(dāng)PWR_UP=1，CE=O，CS=1時(shí)為配置方式；當(dāng)PWR_UP=1，CE=O，CS=0時(shí)為空閑方式；PWPWR_UP=0時(shí)關(guān)機(jī)。
系統(tǒng)射頻部分的通信協(xié)議均由內(nèi)置硬件電路完成，NRF24E1的無線數(shù)據(jù)包格式如表1。
表1 NRF24E1的無線數(shù)據(jù)包格式
| PRE-AMBLE | ADDRESS | PAYLOAD | CRC |
其中，PRE-AMBLE是前導(dǎo)碼，由硬件自動(dòng)加上去；ADDRESS是要發(fā)送的32～40位地址碼；PAYLOAD是有效數(shù)據(jù)；CRC是CRC校驗(yàn)和，它可由內(nèi)置CRC糾檢錯(cuò)硬件電路自動(dòng)加上，可設(shè)為0、8或16位。ADDRESS、PAYLOAD和CRC的總長度最大為256位，設(shè)置較短的地址和校驗(yàn)和可以提高傳輸效率，但會使可靠性降低。
NRF24E1支持點(diǎn)到多點(diǎn)通信，每個(gè)芯片可通過軟件設(shè)置最多40位地址，通信時(shí)只有與本機(jī)地址相符時(shí)才應(yīng)答，否則不響應(yīng)。
無線收發(fā)器NRF2401有一個(gè)144bit的ShockBurst配置字，該配置字規(guī)定了無線收發(fā)器的接收地址、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、無線傳輸速率、無線收發(fā)模式、CRC校驗(yàn)和的長度以及有效數(shù)據(jù)的長度。該配置字使NRF2401能夠處理射頻協(xié)議。
當(dāng)NRF2401工作在收發(fā)方式時(shí)，其采用了先進(jìn)的ShockBurst技術(shù)。
(1)ShockBurst工作在發(fā)送方式時(shí)，CPU接口引腳為CE、CLK1和DATA(如圖6)。當(dāng)CPU請求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，置CE為高電平" title="高電平">高電平，此時(shí)將接收機(jī)地址和有效載荷數(shù)據(jù)送入NRF2401，置CE為低電平激活ShockBurst發(fā)射。具體流程為：
a.當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，置CE為高，使NRF2401工作；
b.把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時(shí)序送入NRF2401；
c.微控制器把CE置低，激發(fā)NRF2401進(jìn)行ShockBurst發(fā)射；
d.NRF2401 ShockBurst發(fā)射：給射頻前端供電；射頻數(shù)據(jù)打包（加字頭、CRC校驗(yàn)碼）；高速發(fā)射數(shù)據(jù)包；發(fā)射完成，NRF2401進(jìn)入空閑狀態(tài)。
?(2)ShockBurst工作在接收方式時(shí)，CPU接口引腳為CE、DR1、CLK1和DATA(如圖6)。當(dāng)正確設(shè)置射頻包輸入載荷的地址和大小后，置CE為高電平可激活RX。此后NRF2401監(jiān)測信息輸入，若收到有效數(shù)據(jù)包，則給MCU一個(gè)中斷并置DR1為高電平，以使MCU以時(shí)鐘形式將有效載荷數(shù)據(jù)取走，待系統(tǒng)收到全部數(shù)據(jù)后NRF2401再置DR1為低。此時(shí)如果 CE保持高電平，則等待新的數(shù)據(jù)包；若CE置低電平，則開始其他工作流程。具體流程為：
a. 配置本機(jī)地址和要接收的數(shù)據(jù)包大??；
b. 進(jìn)入接收狀態(tài)，把CE置高；
c. 200微秒后，NRF2401進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來；
d. 當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包(正確的地址和CRC校驗(yàn)碼)，NRF2401自動(dòng)把字頭、地址和CRC校驗(yàn)位移去；
e. NRF2401通過把DR1(這個(gè)引腳引起微控制器中斷)置高通知微控制器；
f. 微控制器把數(shù)據(jù)從NRF2401移出；
g. 所有數(shù)據(jù)移完，NRF2401把DR1置低，此時(shí)，如果CE為高，則等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包，如果CE為低，開始其他工作流程。
ShockBurst接收和發(fā)送的流程框圖如圖7和圖8所示。最終，無線點(diǎn)菜系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收端正確接收點(diǎn)菜發(fā)送端發(fā)射來的點(diǎn)菜代碼，并處理成計(jì)算機(jī)所能識別的數(shù)據(jù)傳送給后臺服務(wù)器進(jìn)行處理。
該無線點(diǎn)菜系統(tǒng)成本低廉、設(shè)計(jì)簡單、易于實(shí)現(xiàn)，經(jīng)實(shí)際調(diào)試驗(yàn)證完全可用。通過該系統(tǒng)的研發(fā)架構(gòu)，可以得到一種用無線片上系統(tǒng)NRF24E1芯片來進(jìn)行短距離無線組網(wǎng)的簡易可行的設(shè)計(jì)方法?？梢灶A(yù)見，隨著無線網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和應(yīng)用普及，無線片上系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢，其應(yīng)用必將不斷擴(kuò)展，而NRF24E1作為目前主流、典型、優(yōu)秀的無線片上系統(tǒng)，在未來的無線領(lǐng)域中將發(fā)揮更大的作用。
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