無線網(wǎng)絡MSP430和nRF905的無線數(shù)傳系統(tǒng)設計

1、無線網(wǎng)絡:msp430和nrf905的無線數(shù)傳系統(tǒng)設計 摘要:闡述在低功耗應用中，利用msp430和nrf905組成一種無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計方案。首先對核心芯片的選型和要害使用方法進行簡單說明，然后介紹系統(tǒng)硬件和軟件的設計，其中著重介紹如何對nrf905進行控制，并給出相關程序源代碼。 要害詞:無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)凸膍sp430nrf905 在非凡環(huán)境的數(shù)據(jù)測控應用中，無線數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)越來越廣泛地被運用。 msp430+nrf905的組合非凡適合于低功耗、短距離(1oo200m)、小數(shù)據(jù)量的無線數(shù)傳系統(tǒng)。msp430cpu在低功耗應用方面有很大優(yōu)勢，nrf905無線收發(fā)芯片具有功耗低、控制簡單、

2、可自動處理字頭和crc校驗的優(yōu)點，兩者結合組成的數(shù)傳系統(tǒng)可以在很多產(chǎn)品中得到應用。 1 msp430簡介 msp430是ti公司新推出的16位系列單片機，在電池供電的低功耗應用中具有獨特的優(yōu)勢。其工作電壓在1.836v之間，正常工作時功耗可控制在2ooa左右，低功耗模式時可實現(xiàn)2a甚至o1a的低功耗。msp430具有非常高的集成度，通常在單個芯片上集成有12位的ad、比較器、多個定時器、片內(nèi)usart、看門狗、片內(nèi)振蕩器、大量的io端口及大容量的片內(nèi)存儲器，一般單片就可以滿足大多數(shù)的應用需要。在低功耗應用中設計程序時，最好采用以下方法：cpu在初始化完成后，處于低功耗工作模式，在有外部事件發(fā)生

3、時喚醒進入中斷服務程序，完成后重新進入低功耗模式，照此循環(huán)往復，可以最大限度地降低功耗。較差等。上述問題經(jīng)過精心設計是可以避免和解決的，所以基于gprs的設計仍具有無可比擬的優(yōu)勢。 2 nrf905簡介 nrf905是挪威nordik公司推出的單片射頻收發(fā)器芯片，工作電壓為1936v，32引腳qfn封裝(5mm5mm)，工作于433868915 mhz 3個ism頻道(可以免費使用)。nrf905可以自動完成處理字頭和crc(循環(huán)冗余碼校驗)的工作，可由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯特編碼解碼，使用spi接口與微控制器通信，配置非常方便。其功耗非常低，以一10 dbm的輸出功率發(fā)射時電流只有11 ma

4、，在接收模式時電流為125 ma。nrf905傳輸數(shù)據(jù)時為非實時方式，即發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)，接收端收到后先暫存于芯片存儲器內(nèi)，外面的mcu可以在需要時再到芯片中去取。nrf905一次的數(shù)據(jù)傳輸量最多為32 b。 2.1nrf905的工作模式及設置 nrf905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式，分別為掉電模式、待機模式、shockbursttm接收模式和shockbursttm發(fā)送模式。這幾種模式由外界cpu通過控制nrf905的3個引腳pwr_up、trx_ce和tx_en的高低電平來決定，如表1所列。 外界mcu通過spi總線配置nrf905的內(nèi)部寄存器，讀寫數(shù)據(jù)時必須把其置為待機或掉電模式。nrf

5、905在待機模式時功耗為40,a，在掉電模式時功耗為25a。 2.2nrf905的狀態(tài)輸出 nrf905有3個引腳用于狀態(tài)輸出，分別是：cd(載波檢測)、am(地址匹配)和dr(數(shù)據(jù)就緒)，均為高電平有效。nrf905在處于接收模式時，若檢測到接收頻率段的載波，就置cd為高；接著檢測載波數(shù)據(jù)中的地址字節(jié)，若與本身已配置的接收地址相同，則置am為高；若再檢測到接收數(shù)據(jù)中的crc校驗正確，則存儲有效數(shù)據(jù)字節(jié)，置dr為高。 此外，nrf905還有一個時鐘輸出引腳upclk，供用戶選擇使用。通過配置內(nèi)部寄存器，可改變其頻率輸出，這一點在調(diào)試時很有用。無線系統(tǒng)至少需要一發(fā)一收兩個設備，調(diào)試時若出現(xiàn)問題很

6、難判定是哪一方的故障?？梢酝ㄟ^修改nrf905的寄存器，用示波器觀察upclk輸出是否變化的方法，來判定其硬件電路和cpu操作nrf905的程序是否正確，從而判定該設備是否工作正常。 2.3nrf905的數(shù)據(jù)接口 外圍mcu通過spi總線配置nrf905的內(nèi)部寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)。nrf905的spi總線包括4個引腳：csn(spi使能)、sck(spi時鐘)、miso(主人從出)和mosi(主出從人)。這里nrf905為從機，其spi的時鐘范圍很寬，可以從1hz10mfiz，因此mcu在寫控制程序時不必苛求時間的準確度。 spi總線的每次操作都必須在使能引腳csn的下降沿開始，csn低電平有效，

7、總線上的數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿有效。mcu對spi總線的操作不外乎兩種方式：讀和寫。在進行讀操作時，先把csn置低，然后在mosi數(shù)據(jù)線上輸出一個表示讀命令的字節(jié)，與此同時，nrf905會在miso數(shù)據(jù)線上輸出一字節(jié)表示狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，隨后輸出一地址字節(jié)，后面跟隨有效數(shù)據(jù)。在進行寫操作時比較簡單，mcu先把csn拉低，然后在mosi線上輸出寫命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)即可。 2.4nrf905的寄存器配置 nrf905內(nèi)部有5類寄存器：一是射頻配置寄存器，共10個字節(jié)，包括中心頻點、無線發(fā)送功率配置、接收靈敏度、收發(fā)數(shù)據(jù)的有效字節(jié)數(shù)、接收地址配置等重要信息；二是發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器，共32字節(jié)，mcu要向外發(fā)的

8、數(shù)據(jù)就需要寫在這里；三是發(fā)送地址，共4個字節(jié)，一對收發(fā)設備要正常通信，就需要發(fā)送端的發(fā)送地址與接收端的接收地址配置相同；四是接收數(shù)據(jù)寄存器，共32字節(jié)，nrf905接收到的有效數(shù)據(jù)就存儲在這些寄存器中，mcu可以在需要時到這里讀?。晃迨菭顟B(tài)寄存器，1個字節(jié)，含有地址匹配和數(shù)據(jù)就緒的信息，一般不用。 mcu若要操作這些寄存器，需遵循nrf905規(guī)定的操作命令，常用的有以下7種，都是1個字節(jié)：寫射頻配置(oxh，“x”含4位二進制位，該字節(jié)表示要開始寫的初始字節(jié)數(shù))、讀射頻配置(1xh，“x”含4位二進制位，該字節(jié)表示要從哪個字節(jié)開始讀)、寫發(fā)送數(shù)據(jù)(20h)、讀發(fā)送數(shù)據(jù)(2lh)、寫發(fā)送地址(2

9、2h)、讀發(fā)送地址(23h)和讀接收數(shù)據(jù)(24h)。關于寄存器的具體信息可以參閱nrf905的數(shù)據(jù)手冊。 25nrf905的工作過程 nrf905在正常工作前應由mcu先根據(jù)需要寫好配置寄存罨，或是按照默認配置工作。其后的工作主要是兩個：發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)。 發(fā)送數(shù)據(jù)時，mcu應先把nrf、905置于待機模式(pwr_up引腳為高、trx_ce引腳為低)，然后通過spi總線把發(fā)送地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)都寫入相應的寄存器中，之后把nrf905置于發(fā)送模式(pwr_up、trx_ce和tx_en全置高)，數(shù)據(jù)就會自動通過天線發(fā)送出去。若射頻配置寄存器中的自動重發(fā)位(auto_retran)設為有效，數(shù)

10、據(jù)包就會重復不斷地一直向外發(fā)，直到mcu把trx_ce拉低，退出發(fā)送模式為止。為了數(shù)據(jù)更可靠地傳輸，建議多使用此種方式。 接收數(shù)據(jù)時，mcu先在nrf905的待機模式中把射頻配置寄存器中的接收地址寫好，然后置其于接收模式(pwr_up=1、trx_ce=1、tx_en=o)，nrf905就會自動接收空中的載波。若收到地址匹配和校驗正確的有效數(shù)據(jù)，dr引腳會自動置高，mcu在檢測到這個信號后，可以改其為待機模式，通過spi總線從接收數(shù)據(jù)寄存器中讀出有效數(shù)據(jù)。 3 系統(tǒng)硬件設計 msp43o的usart模塊可通過寄存器配置為通用異步串行口或spi模塊功能，這里配置為spi模塊。本系統(tǒng)選用的mcu是

11、msp430f133，在硬件設計時把mcu的spi接口和nrf905的spi接口相連即可，另外再選幾個io口連接arf905的輸入輸出信號，如圖1所示。 對于初次接觸無線系統(tǒng)的設計者，因其射頻部分的元件采購、焊接和調(diào)試比較麻煩，可以選用ptr8000模塊。該模塊內(nèi)核使用nrf905，硬件電路已經(jīng)焊好，使用起來相對方便一些。 4 控制程序設計 本系統(tǒng)設計的重點是控制nrf905的程序設計，大致分兩個階段：首先是對nrf905進行初始配置，配置完成后按需要編寫數(shù)據(jù)的發(fā)送或接收程序。 4.1初始化配置 第一階段應完成初始化配置，分以下幾項： msp430的spi接口設置。msp430的異步串行接口和

12、spi接口用同一個usart模塊，這里需要用軟件配置為spi功能。本設計中spi配置為主機模式、3線制和8位數(shù)據(jù)。程序源代碼參見子程序“spi_set”。(編者注：程序源代碼見本刊網(wǎng)站wwwmesnetcomcn。) 初始化nrf905的射頻配置寄存器。這些寄存器中有很多信息，必須根據(jù)實際情況進行配置，本設計中nrf905外接16mhz晶體，“xof”應配置為“011”；“pa_pwr”為發(fā)射功率，”rx_red_pwr”為接收靈敏度，可根據(jù)需要配置；另外還有發(fā)送地址、接收地址、發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)的長度(字節(jié)數(shù))，可根據(jù)實際應用配置。注重這組寄存器中還有接收時的實際地址，而發(fā)送地址在其他單獨寄

13、存器中。 配置nrf905的發(fā)送地址，最多4個字節(jié)(32位)，發(fā)送端的發(fā)送地址應與接收端設備的接收地址相同。在實際工作中，nrf905可以自動濾除地址不相同的數(shù)據(jù)，只有地址匹配且校驗正確的數(shù)據(jù)才會被接收，并存儲在接收數(shù)據(jù)寄存器中。 4.2發(fā)送數(shù)據(jù) 使nrf905發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要msp430通過spi總線在待機模式下先把待發(fā)數(shù)據(jù)填進發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中，一次最多32b。然后把nrf905的“trx_ce”、“tx_en”引腳都置為高電平，數(shù)據(jù)就會自動發(fā)送出去。本設計在射頻配置寄存器中選定了自動重發(fā)位，因此在“trx_ce”被置高的時間內(nèi)數(shù)據(jù)一直在重復不斷地發(fā)。本程序中設計延時500ms，之后拉低“trx_ce”引腳，回到待機模式。 4.3接收數(shù)據(jù) msp30把nrf905的“trx_ce”引腳置為高電平，“tx_en”引腳拉為低電平后，就開始接收數(shù)據(jù)。本設計中cpu在設定的35s內(nèi)一直判定nrf905的“dr”引腳是否變高，若為高，則證實接收到了有效數(shù)據(jù)，可以退出接收模式，若一直沒有接收到，待時間到時也退出接收模式。退出后在待機模式，cpu通過spi總線把nrf90