測控技術(shù)與儀器 畢業(yè)論文范文——無線轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的研究

1、<p><b>　　無線轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)的研究</b></p><p>　　摘要 ：油井測壓系統(tǒng)存在于各個(gè)油井設(shè)施當(dāng)中。普通的測試卻無法比較精確的測出油井的壓力。本課題通過對(duì)這個(gè)問題的研究，提出使用微控制器MSP430控制nRF2401無線收發(fā)芯片的方法，來實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的無線傳輸，進(jìn)而方便地測出數(shù)據(jù)。</p><p>　　論文分析了該系統(tǒng)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。介紹了

2、工作于2.4GHz ISM頻段的射頻收發(fā)芯片nRF2401的主要特性和工作模式。nRF2401在單片機(jī)MSP430的控制下，工作在ShockBurstTM突發(fā)模式。在現(xiàn)有硬件電路的基礎(chǔ)上，利用MSP430單片機(jī)控制收發(fā)芯片nRF2401，編寫相應(yīng)的程序來實(shí)現(xiàn)nRF2401的無線轉(zhuǎn)發(fā)發(fā)送接收功能。設(shè)計(jì)適用于油井測壓器的數(shù)據(jù)無線轉(zhuǎn)存發(fā)射及接收模塊，實(shí)現(xiàn)油井測壓器的無線控制；結(jié)合采集電路進(jìn)行調(diào)試和設(shè)計(jì)優(yōu)化。該設(shè)計(jì)與現(xiàn)有的無線發(fā)送系統(tǒng)結(jié)合起來，

3、實(shí)現(xiàn)了無線數(shù)據(jù)通信可靠穩(wěn)定,可應(yīng)用于油井的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無線轉(zhuǎn)發(fā)，nRF2401，MSP430</p><p>　　The research of wireless transmitted technology</p><p>　　Abstract：Well pressure system exists in the various f

4、acilities of the oil well. The general test is not more precise measure of the pressure well. The topic of this issue through research this problem, advancing the way of using MSP430 MCU control nRF2401 radio transceiver

5、 chip approach to achieve the wireless transmission of measurement data, thus easily measured the data.</p><p>　　The paper analyze hardware and software design of the system. Introduce the band radio transce

6、iver chip nRF2401 the main characteristics and work patterns when works in the 2.4 GHz ISM frequnce. nRF2401 under the control of MSP430 MCU, working in the ShockBurstTM burst mode. On the basis of the existing hardware

7、circuit,by using MSP430 MCU control transceiver chip nRF2401, the preparation of the corresponding procedures to achieve the send and take-over function of the nRF2401.Designed the modul</p><p>　　Key words：W

8、ireless E，nRF2401，MSP430</p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　近10年來，微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步極大地推動(dòng)了計(jì)算機(jī)和通信設(shè)備的普及和發(fā)展，一些電子產(chǎn)品如PC機(jī)、掌上電腦、打印設(shè)備等逐步進(jìn)入人們的日常生活，成為人們生活中不可缺少的一部分。然而這些設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸往往通過電纜進(jìn)行，限制了其使用的靈活性，因此人們開發(fā)了

9、能夠取代電纜的短距離無線通信技術(shù)以解決此問題。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，無線通信功能的實(shí)現(xiàn)越來越容易，數(shù)據(jù)傳輸速率也越來越高，抗干擾能力也越來越強(qiáng)。因此，越來越多的場合采用了無線傳輸技術(shù)，它與有線技術(shù)相比主要有成本低、攜帶方便、適應(yīng)性好、設(shè)備維護(hù)容易、省去布線的煩惱等特點(diǎn)。</p><p>　　1.1 無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用背景及本課題的意義</p><p>　　國際上測量信號(hào)通常采用的方

10、法有集流器傳輸和無線傳輸兩種[1]。集流器傳輸方法包括拉線式、感應(yīng)式和電刷式三種。拉線式集流器使用時(shí)易磨損，適用于低速旋轉(zhuǎn)部件的信號(hào)測量；感應(yīng)式集流器工作時(shí)其動(dòng)靜線圈之間的間隙變化會(huì)引起磁阻的變化，從而影響測量結(jié)果，而且其測量的旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速不高；電刷式集流器工作性能比較好，可用于較高轉(zhuǎn)速下信號(hào)測量，但高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，電刷集流器定子/轉(zhuǎn)子發(fā)熱會(huì)導(dǎo)致信號(hào)漂移,從而出現(xiàn)測量誤差。在這個(gè)時(shí)候，就需要采用帶有無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，解決傳統(tǒng)應(yīng)變

11、儀帶來的問題，以便將旋轉(zhuǎn)信號(hào)輸出[1][2]。</p><p>　　在監(jiān)測系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)從采集設(shè)備到處理終端，監(jiān)測控制指令從處理終端到采集設(shè)備，均需經(jīng)過傳輸過程這一重要環(huán)節(jié)。當(dāng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，或者所處的環(huán)境不允許鋪設(shè)電纜，采集設(shè)備必須與終端設(shè)備分離，此時(shí)也只能通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[3]。</p><p>　　無線傳輸方法包括紅外傳輸和無線電傳輸兩種[3]。紅外傳輸?shù)妮d體是紅外線，

12、由于紅外線有一定的方向性且不能穿越障礙物，因此紅外傳輸只適合于應(yīng)用在近距離、小角度、無障礙物場合的數(shù)據(jù)傳輸。無線電傳輸按基帶信號(hào)的形式可以分為兩類：模擬信號(hào)傳輸和數(shù)字信號(hào)傳輸。模擬信號(hào)傳輸由于基帶信號(hào)是連續(xù)的，混入噪聲干擾后不易清除，抗干擾能力差；數(shù)字信號(hào)傳輸所傳送的信號(hào)是數(shù)字量，即使收到的信號(hào)出現(xiàn)一定的失真，仍可以通過糾錯(cuò)算法恢復(fù)出正確的原始信號(hào)，因此數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)目垢蓴_能力強(qiáng)。由于旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的工作環(huán)境一般都比較惡劣，干擾源較多，因此本

13、系統(tǒng)采用抗干擾能力強(qiáng)的無線數(shù)字傳輸技術(shù)，應(yīng)用TI公司的MSP430單片機(jī)控制Nordic公司的無線數(shù)字傳輸芯片nRF2401，通過無線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。</p><p>　　1.2 無線數(shù)據(jù)傳輸概述</p><p>　　現(xiàn)在無線電技術(shù)廣泛應(yīng)用于無線電通信、廣播、電視、雷達(dá)、導(dǎo)航系統(tǒng)等幾個(gè)主要方面，盡管在傳遞信息形式、工作方式、設(shè)備等方面有差別，但它們的共同特點(diǎn)都是利用高頻無線電波來傳遞信

14、息，因此設(shè)備中產(chǎn)生和接收、檢測高頻信號(hào)的基本功能電路大都是相同的。隨著各種近距離無線技術(shù)的出現(xiàn)，不可避免的在一些應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)存在重疊和競爭。從1864年證明電磁波的存在到1904年發(fā)明真空二極管，開始進(jìn)入無線電電子學(xué)時(shí)代。1907年真空三極管，用它組成具有放大、振蕩、變頻、調(diào)制、檢波和波形變換等重要功能的電子線路，為現(xiàn)代千變?nèi)f化的電子線路提供了“心臟”器件。因而電子管的出現(xiàn)，是電子技術(shù)發(fā)展史上第一個(gè)重要的里程碑。1948年晶體三極管的發(fā)明

15、，成為電子技術(shù)發(fā)展史上的第二個(gè)重要的里程碑。20世紀(jì)60年代開始出現(xiàn)的將“管”、“路”結(jié)合起來的集成電路，幾十年來已取得極其巨大的成就，中、大規(guī)模乃至超大規(guī)模集成電路的不斷涌現(xiàn)出來，可以說集成電路是電子技術(shù)發(fā)展史上的第三個(gè)重要的里程碑。從無線電技術(shù)的誕生到現(xiàn)在，它對(duì)人類的生活和生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生了非常深刻的影響[7]。</p><p>　　1.2.1 國內(nèi)外無線技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　

16、　由于生產(chǎn)和生活中的控制應(yīng)用往往是限定到一定地域范圍內(nèi)，比如：主機(jī)設(shè)備和周邊設(shè)備的互聯(lián)互通，房間內(nèi)智能電器的控制，餐廳或飯店內(nèi)的無線點(diǎn)菜系統(tǒng)，廠房內(nèi)生產(chǎn)設(shè)備的管理和監(jiān)控等，因此隨著無線通信設(shè)備的迅速增長，各種短距離無線通信技術(shù)也得到了廣泛的發(fā)展。目前，短距離無線通信技術(shù)主要有IrDA、藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi技術(shù)、低功率短距離無線通信技術(shù)和UWB技術(shù)五種。</p><p><b>　　1、IrDA技術(shù)<

17、;/b></p><p>　　IrDA技術(shù)是一種比較成熟的短距離無線傳輸技術(shù)，采用人眼看不到的紅外光傳輸信息，它利用紅外光的通斷表示計(jì)算機(jī)中的0-1邏輯，通常有效作用半徑2米，發(fā)射角一般不超過20度，傳統(tǒng)速度可達(dá)4Mbit/s[10]。</p><p>　　2、藍(lán)牙(Bluetooth)技術(shù)</p><p>　　藍(lán)牙技術(shù)是一種通用的短距離無線電技術(shù)，可將手機(jī)、

18、掌上電腦和筆記本電腦等設(shè)備實(shí)現(xiàn)無線連接，有效距離可達(dá)10米，傳輸速度每秒達(dá)720Kbps。該技術(shù)誕生于1994年，Ericsson當(dāng)時(shí)決定開發(fā)一種低功耗、低成本的無線接口，以建立手機(jī)及其附件間的通信。該技術(shù)還陸續(xù)獲得PC行業(yè)，如：IBM、英特爾、東芝等業(yè)界巨頭的支持。這種近距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)最大的好處，就是能夠取代各種電線或電纜。</p><p><b>　　3、Wi-Fi技術(shù)</b>&l

19、t;/p><p>　　Wi-Fi(Wireless Fidelity，無線高保真)也是一種無線通信協(xié)議，正式名稱是IEEE802.11b，與藍(lán)牙一樣，同屬于短距離無線通信技術(shù)。Wi-Fi速率最高可達(dá)11Mb/s。雖然在數(shù)據(jù)安全性方面比藍(lán)牙技術(shù)要差一些，但在電波的覆蓋范圍方面卻略勝一籌，可達(dá)100m左右[15]。</p><p>　　4、低功率短距離無線通信技術(shù)</p><p

20、>　　一般使用數(shù)字信號(hào)單片射頻收發(fā)芯片,加上微控制器和少量外圍器件即可構(gòu)成專用或通用無線通信模塊。一般射頻芯片采用FSK調(diào)制方式，工作于ISM頻段，通信模塊一般包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使用簡單的加密協(xié)議，用戶不用對(duì)無線通信原理和工作機(jī)制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能，因其功率小，開發(fā)簡單快速而應(yīng)用廣泛。但數(shù)據(jù)傳輸速度、流量都較小，較適合搭建小型網(wǎng)絡(luò)。在工業(yè)，民用領(lǐng)域使用較廣，其中較典型的就是

21、Nordic公司生產(chǎn)的nRF2401芯片。</p><p>　　nRF2401是Nordic與其亞太地區(qū)最佳代理迅通科技在中國首次發(fā)布2.4GHz單片SOC無線產(chǎn)品，nRF2401為2.4GHz全球開放頻段產(chǎn)品，采用0.18μm工藝設(shè)計(jì)，具有高集成度和極具競爭力的成本優(yōu)勢。nRF2401的優(yōu)異性能可應(yīng)用在無線標(biāo)簽、無線終端、無線耳機(jī)、無線鼠標(biāo)、無線鍵盤等產(chǎn)品設(shè)計(jì)，在大多數(shù)場合可以替代藍(lán)牙的設(shè)計(jì)[16]。</

22、p><p>　　5、UWB(超寬帶無線技術(shù))技術(shù)</p><p>　　UWB無線技術(shù)又稱脈沖無線電技術(shù)，與傳統(tǒng)通信技術(shù)不同的是，UWB是一種無載波通信技術(shù)，即它不采用載波，而是利用納秒至微秒級(jí)的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，因此其所占的頻譜范圍很寬[11]。UWB被允許在3.1~10.6GHz的波段內(nèi)工作,它主要應(yīng)用在小范圍、高分辨率、能夠穿透墻壁、地面和身體的雷達(dá)和圖像系統(tǒng)中。</p>

23、<p>　　1.2.2 發(fā)展趨勢</p><p>　　數(shù)字通信因要求嚴(yán)格，故設(shè)備復(fù)雜、體積較大。隨著數(shù)字集成技術(shù)的發(fā)展，各種大規(guī)模、超大規(guī)模集成器件的不斷出現(xiàn)，加上數(shù)字壓縮技術(shù)的不斷完善，數(shù)字通信設(shè)備的體積將會(huì)越來越小。隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)字通信無疑是目前和今后通信技術(shù)的主要發(fā)展方向。近距離無線傳輸系統(tǒng)的研究主要是為了改變由于架線引起的不便，而利用數(shù)字通信能使信息更加準(zhǔn)確[17]。</p

24、><p>　　無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)可分為微波數(shù)據(jù)傳輸方式、電臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸方式、GSM和GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸方式。其中，微波數(shù)據(jù)傳輸造價(jià)昂貴，電臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸投資高，并且它們的維護(hù)費(fèi)用也比較大。GSM和GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的短信息(SMS)傳輸，由于其覆蓋率較高，費(fèi)用低，穩(wěn)定性高，已逐漸成為數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展趨勢[18]。</p><p>　　2 無線轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路</p><p&g

25、t;　　2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路</p><p>　　由于油井測壓系統(tǒng)存在于各個(gè)油井設(shè)施當(dāng)中。普通的測試無法比較精確的測出油井的壓力。本課題通過對(duì)這個(gè)問題的研究，提出使用MSP430單片機(jī)控制無線收發(fā)芯片的方法，來實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的無線傳輸，進(jìn)而方便地測出數(shù)據(jù)。無線數(shù)據(jù)傳輸是區(qū)別于傳統(tǒng)的有線傳輸?shù)男滦蛡鬏敺绞?，即通過空氣或真空實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。相比于傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸方式，無線傳輸方式可以不考慮傳輸線纜的安裝問題，從而節(jié)

26、省大量線纜，并且降低施工難度和系統(tǒng)成本，是一個(gè)很有發(fā)展?jié)摿Φ难芯空n題。</p><p>　　無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心是無線收發(fā)控制電路。我們可以采用無線收發(fā)芯片來構(gòu)成無線收發(fā)控制電路。常見的無線收發(fā)芯片有nRF2401、RF2915、BCA18、XC1201、MICRF007及CC400等，它們的工作電壓大都在2.4V至5.5 V之間。如何在設(shè)計(jì)中選擇所需要的芯片非常關(guān)鍵，正確的選擇可以使工作少走彎路，考慮到各種因

27、素，本課題最終選用挪威Nordic公司推出的單片機(jī)無線收發(fā)一體的芯片nRF2401。nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其DuoCeiver技術(shù)使nRF2401可以使用同

28、一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401內(nèi)置地址解碼器、先人先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，工作頻率穩(wěn)定可靠。它采用SoC方法設(shè)計(jì)，只需少量外圍元件便可以組成</p><p>　　在油井測壓系統(tǒng)使用的是TI公司推出的微控制器MSP430，這種型號(hào)的控制器在電池供電的低功耗應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢。其工作電壓在1.8～3．6V之間，正常工作時(shí)

29、功耗可控制在200μA左右，低功耗模式時(shí)可實(shí)現(xiàn)2μA甚至0.1μA的低功耗。MSP430具有非常高的集成度，通常在單個(gè)芯片上集成有12位的A／D、比較器、多個(gè)定時(shí)器、片內(nèi)USART、看門狗、片內(nèi)振蕩器、大量的I／O端口及大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器，一般單片就可以滿足大多數(shù)的應(yīng)用需要。在低功耗應(yīng)用中設(shè)計(jì)程序時(shí)，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)生時(shí)喚醒進(jìn)入中斷服務(wù)程序，完成后重新進(jìn)入低功耗模式，照此循環(huán)往復(fù)

30、，可以最大限度地降低功耗。較差等。</p><p>　　同樣，在油井測壓系統(tǒng)中使用N04L163WC2A靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器作為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器</p><p>　　鑒于系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無限轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)功能，最后設(shè)計(jì)該無線通信系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分夠成，發(fā)射部分由數(shù)據(jù)采集、單片機(jī)、nRF2401無線收發(fā)模塊組成；接收部分由nRF2401無線收發(fā)模塊、單片機(jī)等部分組成。</p>

31、<p><b>　　硬件接口示意圖</b></p><p>　　在系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)中，微控制器MSP430先從N04L163WC2A中讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，當(dāng)靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的CE1置低CE2置高OE置低LB、UB置低時(shí)，MSP430從N04L163WC2A中讀取存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，如圖2.3。然后通過微控制器的SPI口發(fā)送給芯片nRF2401，nRF2401通過SPI口與 MCU 微控制器相連。n

32、RF2401 只有一個(gè) SPI 口 DATA，該引腳與MCU的SPI數(shù)據(jù)收發(fā)引腳SlMO和SOMI相連，同時(shí)MCU的SPI串接10K電阻。DR1為接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備引腳，nRF2401置位DR1，表示有數(shù)據(jù)到來，然后將DRl管腳電壓拉低，DR1與P1.2相連，同時(shí)MCU的P1口具有中斷功能，只有當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，MCU即退出中斷服務(wù)程序，執(zhí)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)收發(fā)通訊。 </p><p>　　單片機(jī)設(shè)置nRF2401的PWR_

33、UP=1，CE=0，CS=0。等待3毫秒后進(jìn)入配置狀態(tài)，對(duì)nRF2401進(jìn)行配置，在此將144位配置字分成18個(gè)字節(jié)，則該狀態(tài)循環(huán)18次。配置完成后單片機(jī)將CE置高，nRF2401進(jìn)入等待數(shù)據(jù)狀態(tài)。此時(shí)單片機(jī)對(duì)DR1進(jìn)行循環(huán)判斷，當(dāng)DR1=1時(shí)單片機(jī)進(jìn)入數(shù)據(jù)加載狀態(tài)。數(shù)據(jù)加載完畢，隨后nRF2401再進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)的到來。在數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，nRF2401進(jìn)入空閑模式，等待下一個(gè)工作循環(huán)的開始。</p><

34、;p>　　圖2.3 靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器的時(shí)序波形讀周期</p><p><b>　　3 硬件電路設(shè)計(jì)</b></p><p>　　3.1 總體電路設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，硬件電路圖如圖3.1所示。</p><p>　　nRF2401芯片的CE、CS、DR1和PWR_UP管腳分別與MSP430單

35、片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3管腳進(jìn)行連接。由于SPI口的2個(gè)數(shù)據(jù)管腳都連接到nRF2401芯片的DATA管腳，因此MSP430單片機(jī)的SPI口的數(shù)據(jù)管腳都需要串接10K的電阻。由于DR1是高電平有效，因此需要將P1.2管腳拉低。nRF2401外接一個(gè)16M的晶振。</p><p>　　圖3.1 硬件電路圖</p><p>　　3.2 無線模塊電路分析</p>

36、<p>　　根據(jù)本課題的總體設(shè)計(jì)思路，nRF2401通過外接晶體為它提供工作所用的時(shí)鐘。nRF2401還必須有天線電路這樣才能進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。MSP430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。nRF2401通過SPI口與MSP430單片機(jī)進(jìn)行連接，由于nRF2401的SPI口只有一個(gè)數(shù)據(jù)管腳（DATA管腳），所以該管腳直接與MSP430單片機(jī)的SPI口的數(shù)據(jù)收發(fā)管腳（MOSI

37、、MISO）進(jìn)行連接。nRF2401芯片的CE、CS、DR1和PWR_UP管腳分別與MSP430單片機(jī)的P1.0、P1.1、P1.2和P1.3管腳進(jìn)行連接。P1.0、P1.1、P1.2和P1.3管腳只是用來控制nRF2401芯片的工作狀態(tài)，而P1.2管腳用來指示nRF2401是否接受到數(shù)據(jù)，由于P1口的管腳有中斷功能，因此可以將P1.2管腳設(shè)置成中斷方式。nRF2401接口電路如圖3.2所示。</p><p>　

38、　圖 3.2 nRF2401芯片接口電路</p><p>　　3.3 單片機(jī)控制電路</p><p>　　微控制器MSP430的SPI口是一個(gè)串行通道，SPI接口由狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器5個(gè)寄存器組成。狀態(tài)寄存器包含數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳狀態(tài)信息和地址匹配引腳狀態(tài)信息；射頻配置寄存器包含收發(fā)器配置信息，如頻率和輸出功能等；發(fā)送地址寄存器包含接收

39、機(jī)的地址和數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器包含待發(fā)送的數(shù)據(jù)包的信息，如字節(jié)數(shù)等；接收數(shù)據(jù)寄存器包含要接收的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)等信息。允許7位或8位數(shù)據(jù)流以外部或內(nèi)部編程的速率移入或移出MSP430。USART以字節(jié)外圍模塊與CPU連接。它通過3或4個(gè)外部引腳使微控制器與外部系統(tǒng)相連。由于SPI口的2個(gè)數(shù)據(jù)管腳都連接到nRF2401芯片的DATA管腳，因此MSP430單片機(jī)的SPI口的數(shù)據(jù)管腳都需要串接10K的電阻。</p><

40、p>　　由于DR1是高電平有效，因此需要將P1.2管腳拉低。如圖3.3所示為單片機(jī)電路示意圖。</p><p>　　圖3.3 單片機(jī)電路</p><p>　　4 系統(tǒng)硬件模塊分析</p><p>　　實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸，是整個(gè)通信系統(tǒng)中最關(guān)鍵的一部分。由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是在動(dòng)態(tài)狀態(tài)下且需實(shí)時(shí)不斷地進(jìn)行傳送，因此需一個(gè)非常穩(wěn)定可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸單元，在此選用Nor

41、dic公司生產(chǎn)的nRF2401無線收發(fā)一體芯片。nRF2401芯片和藍(lán)牙芯片一樣，都工作在2.4GHz自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。nRF2401支持多點(diǎn)間通信，最高傳輸速率可達(dá)1Mbit/s，而且比藍(lán)牙具有更高的傳輸速度。它采用SOC方法設(shè)計(jì)，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。與藍(lán)牙不同的是，nRF2401沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對(duì)用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。更重要的是，nRF2401比藍(lán)牙產(chǎn)品更便宜。所以nRF

42、2401是業(yè)界體積較小、功耗較少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片。</p><p>　　4.1 nRF2401主要特點(diǎn)</p><p>　　采用全球開放的2.4GHz頻段，有125個(gè)頻道，可滿足多頻及跳頻需要；</p><p>　　速率(1Mbps)高于藍(lán)牙，且具有高數(shù)據(jù)吞吐量；</p><p>　　外圍元件極少，只需一個(gè)晶振和一個(gè)電阻

43、即可設(shè)計(jì)射頻電路；</p><p>　　發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟件設(shè)置；</p><p>　　電源電壓范圍為1.9~3.6V，功耗很低；</p><p>　　電流消耗很小，-5dBm輸出功率時(shí)的典型峰值電流為10.5mA；</p><p>　　每個(gè)芯片均可以通過軟件設(shè)置最多40bit地址，而且只有收到本機(jī)地址時(shí)才會(huì)輸出數(shù)據(jù)

44、(提供一個(gè)中斷指示)，同時(shí)編程也很方便；</p><p>　　內(nèi)置CRC校驗(yàn)硬件電路和協(xié)議；</p><p>　　采用DuoCeiver TM技術(shù)可同時(shí)接收兩個(gè)nRF2401的數(shù)據(jù)；</p><p>　　采用ShockBurst TM模式時(shí)，能適用極低的功率操作和不嚴(yán)格的單片機(jī)執(zhí)行。</p><p>　　nRF2401的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及外部組成

45、圖如圖4.1所示：</p><p>　　圖4.1 nRF2401的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4.1.2 nRF2401管腳功能</p><p>　　nRF2401各管腳功能如表4.1所示，一些管腳具體功能如下：PWR_UP為上電端，CE為工作狀態(tài)使能端，CS為片選端，單片機(jī)通過對(duì)nRF2401的PWR_UP、CE和CS管腳狀態(tài)組合設(shè)置，控制nRF2401的工

46、作模式。當(dāng)狀態(tài)組合為1、1、0，1、0、1或1、0、0時(shí)，芯片分別處于激活、配置或空閑模式。當(dāng)PWR_UP置0時(shí)，芯片處于掉電狀態(tài)。CLK1、CLK2為通道1、2時(shí)鐘信號(hào)端，由單片機(jī)提供，在突發(fā)模式下，在時(shí)鐘信號(hào)的下降沿從nRF2401的DATA管腳讀出數(shù)據(jù)。DATA、DOUT為通道1、2數(shù)據(jù)端，單片機(jī)與nRF2401由CLK、DR1和DATA組成的三線接口交換傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。通道1可接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，通道2只能接收數(shù)據(jù)。</p>

47、<p>　　表4.1 nRF2401管腳功能</p><p>　　4.1.3 nRF2401的工作模式</p><p>　　nRF2401有4種工作模式，即收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE和CS這3個(gè)管腳決定。表4.2中給出了nRF2401芯片的4種工作模式。</p><p>　　表4.2 nRF2

48、401芯片的4種工作模式</p><p>　　由表4.2可以看出，由PWR_UP、CE和CS這3個(gè)管腳就可以決定芯片的工作模式。</p><p>　　4.2 微控制器MSP430</p><p>　　MSP430 系列是一個(gè) 16 位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)。</p><p>　　MSP430 系列單片機(jī)的迅速發(fā)展和應(yīng)用

49、范圍的不斷擴(kuò)大，主要取決于以下的特點(diǎn)。 </p><p>　　強(qiáng)大的處理能力MSP430 系列單片機(jī)是一個(gè)16位的單片機(jī)，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7 種源操作數(shù)尋址、4 種目的操作數(shù)尋址）簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令；有較高的處理速度，在8MHz 晶體驅(qū)動(dòng)下指令周期為125ns。這些特點(diǎn)保證了可編制出高

50、效率的源程序。 </p><p>　　在運(yùn)算速度方面， MSP430系列單片機(jī)能在 8MHz 晶體的驅(qū)動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)125ns 的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、125ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實(shí)現(xiàn)乘加）相配合，能實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的某些算法（如FFT等）。 </p><p>　　MSP430系列單片機(jī)的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時(shí)靈活方便。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的備用狀態(tài)時(shí)，用中斷請(qǐng)

51、求將它喚醒只用6us 。 </p><p>　　超低功耗MSP430單片機(jī)之所以有超低的功耗，是因?yàn)槠湓诮档托酒碾娫措妷杭办`活而可控的運(yùn)行時(shí)鐘方面都有其獨(dú)到之處。 </p><p>　　首先，MSP430系列單片機(jī)的電源電壓采用的是1.8~3.6V電壓。因而可使其在8MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片的電流會(huì)在200~400uA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式的最低功耗只有0.1uA。 </p>

52、;<p>　　其次，獨(dú)特的時(shí)鐘系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在MSP430系列中有兩個(gè)不同的系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)：基本時(shí)鐘系統(tǒng)和鎖頻環(huán)（FLL和FLL+）時(shí)鐘系統(tǒng)或DCO數(shù)字振蕩器時(shí)鐘系統(tǒng)。有的使用一個(gè)晶體振蕩器（32768Hz）,有的使用兩個(gè)晶體振蕩器。由系統(tǒng)時(shí)鐘系統(tǒng)產(chǎn)生CPU和各功能所需的時(shí)鐘。并且這些時(shí)鐘可以在指令的控制下，打開和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)總體功耗的控制。 </p><p>　　由于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)打開的功能模塊不同，即

53、采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動(dòng)模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在等待方式下，耗電為0.7uA，在節(jié)電方式下，最低可達(dá)0.1uA。 </p><p>　　系統(tǒng)工作穩(wěn)定 上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動(dòng)CPU，以保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，保證晶體振蕩器有足夠的起振及穩(wěn)定時(shí)間。然后軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。如果晶體振蕩器在用做

54、CPU時(shí)鐘 MCLK 時(shí)發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以保證系統(tǒng)正常工作；如果程序跑飛，可用看門狗將其復(fù)位。 </p><p>　　豐富的片上外圍模塊MSP430系列單片機(jī)的各成員都集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。它們分別是看門狗（WDT）、模擬比較器A、定時(shí)器A（Timer_A）、定時(shí)器 B（Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驅(qū)動(dòng)器、10位/12位ADC、IC總線直接數(shù)據(jù)存?。―MA）、端

55、口O（P0）、端口1~6（P1~P6）、基本定時(shí)器（Basic Timer）等的一些外圍模塊的不同組合。其中，看門狗可以使程序失控時(shí)迅速復(fù)位；模擬比較器進(jìn)行模擬電壓的比較，配合定時(shí)器，可設(shè)計(jì)出 A/D轉(zhuǎn)換器 ；16位定時(shí)器（Timer_A和Timer_B）具有捕獲/比較功能，大量的捕獲/比較寄存器，可用于事件計(jì)數(shù)、時(shí)序發(fā)生、PWM等；有的器件更具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問串行通信接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用；具有較多的I/O端口，最

56、多達(dá)6*8條I/O口線；P0、P1、P2端口能夠接收外部上升沿或下降沿的中斷輸入；12/14位硬件A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；能直接驅(qū)動(dòng)液晶多達(dá)160段；實(shí)現(xiàn)兩路的12位D/A轉(zhuǎn)換；硬件IC串行總線接口實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器串行擴(kuò)</p><p>　　SPI的串行同步通信特性：</p><p>　　控制寄存器中的控制位SYNC置位，選擇同步通信模

57、式。</p><p>　　經(jīng)S0M1、S1M0、UCLK和STE引腳，支持3或4線SPI操作。</p><p>　　可選擇主模式或從模式。</p><p>　　接收和發(fā)送有各自的移位寄存器（URXBUF和UTXBUF）。</p><p><b>　　接收和發(fā)送雙緩存。</b></p><p>　　

58、時(shí)鐘極性和時(shí)鐘相位可控。</p><p>　　主模式的時(shí)鐘頻率可控。</p><p><b>　　7或8位字符長度。</b></p><p>　　圖4.2 USART原理框圖，SPI模式</p><p>　　MSP430管腳排列見圖4.3，MSP430功能模塊見圖4.4</p><p>　　圖4.

59、3 MSP430的封裝</p><p>　　圖4.4 MSP430功能模塊圖</p><p><b>　　4.3 設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)選用的微控制器MSP430具有精簡指令集、超低的功耗和豐富的尋址方式。在設(shè)計(jì)中購買的無線發(fā)送模塊nRF2401具有高度集成特點(diǎn)，沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，完全對(duì)用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通

60、信。更重要的是，nRF2401比藍(lán)牙產(chǎn)品更便宜。體積較小、功耗較少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片。因而由上述芯片可以組成非常穩(wěn)定可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸單元。</p><p><b>　　5 軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　5.1 設(shè)計(jì)思想</b></p><p>　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)MSP4

61、30與nRF2401芯片之間的通信，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸。</p><p>　　軟件設(shè)計(jì)需要完成3部分內(nèi)容。</p><p>　　1、微控制器MSP430初始化配置；</p><p>　　2、完成微控制器MSP430對(duì)nRF2401模塊的初始化操作；</p><p>　　3、微控制器MSP430控制nRF2401發(fā)送數(shù)據(jù)。</p>

62、;<p>　　5.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　程序設(shè)計(jì)的核心是要完成MSP430的初始化和控制nRF2401的數(shù)據(jù)發(fā)送。因?yàn)閚RF2401只有一個(gè)SPI口（DATA），所以MSP430的SPI口只能與nRF2401 的DATA管腳連接。MSP430的異步串行接口和SPI接口用同一個(gè)USART模塊，這里需要用軟件配置為SPI功能。本設(shè)計(jì)中SPI配置為主機(jī)模式。初始化nRF2401，這些寄存

63、器中有很多信息，必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行配置，本設(shè)計(jì)中nRF2401外接16MHz晶體，在nRF2401發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要MSP430通過SPI總線在待機(jī)模式下先把待發(fā)數(shù)據(jù)填進(jìn)發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中，一次最多32Bit。把nRF2401的CE、PWR_UP引腳都置為高電平，CS置為低電平，數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)送出去。數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，將nRF2401的PWR_UP置高，CE、CS置低使nRF2401進(jìn)入空閑模式，MSP430回到低功耗模式。如圖5.1所示。&l

64、t;/p><p>　　圖5.1 系統(tǒng)功能框圖</p><p>　　5.3 微控制器MSP430的操作 </p><p>　　MSP430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。同步接口是一個(gè)串行通道，允許7位或8位數(shù)據(jù)流以外部或內(nèi)部編程的速率移入或移出MSP430。USART以字節(jié)外圍模塊與CPU連接。它通過3或4個(gè)外部

65、引腳使微控制器與外部系統(tǒng)相連。本設(shè)計(jì)中SPI配置為主機(jī)模式、3線制和8位數(shù)據(jù)。</p><p>　　5.3.1 USART同步操作</p><p>　　同步模式數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)用于發(fā)送和接收串行數(shù)據(jù)。主機(jī)提供時(shí)鐘和數(shù)據(jù)，從機(jī)利用這一時(shí)鐘將串行信息移進(jìn)或移出。4線SPI模式用附加控制線，來允許從機(jī)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。它由主機(jī)控制。</p><p>　　有3或4個(gè)信號(hào)用于

66、數(shù)據(jù)交換：</p><p>　　SIMO： 從進(jìn)、主出</p><p>　　SOMI： 從出、主進(jìn)</p><p>　　UCLK： USART時(shí)鐘，由主機(jī)驅(qū)動(dòng)，從機(jī)用它發(fā)送和接收數(shù)據(jù)</p><p>　　STE： 從機(jī)發(fā)送允許，用于4線模式中控制多主從系統(tǒng)中的多個(gè)從機(jī)</p><p>　　5.3.2 US

67、ART發(fā)送允許</p><p>　　發(fā)送允許位UTXE允許或禁止字符移位到串行數(shù)據(jù)線。它的復(fù)位禁止發(fā)送器，但是活動(dòng)的發(fā)送并不暫停，直到已寫入發(fā)送緩存的數(shù)據(jù)全部發(fā)送完畢。繼續(xù)向發(fā)送緩存寫入數(shù)據(jù)不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)發(fā)送。如UTXBUF就緒，發(fā)送請(qǐng)求將一直保持，一旦UTXE置位并且發(fā)送器為空，立即起動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送。STE的低電平信號(hào)將從總線上取消活動(dòng)的主機(jī)（4線模式）。STE為低表明有另一主機(jī)請(qǐng)求成為活動(dòng)的主機(jī)。</p>

68、;<p>　　USART發(fā)送允許，MSP430是主機(jī)</p><p>　　圖5.2 發(fā)送允許的狀態(tài)圖，MSP430為主機(jī)</p><p>　　5.3.3 控制與狀態(tài)寄存器</p><p>　　USART硬件是字節(jié)結(jié)構(gòu)，因此必須以字節(jié)指令訪問（后綴“B”）</p><p>　　表5.1控制與狀態(tài)寄存器</p>&l

69、t;p>　　除非在功能描述中說明，PUC后所有位是隨機(jī)的。</p><p>　　由PUC或SWRST位執(zhí)行USART復(fù)位。PUC后如SWRST保持置位，USART將維持在復(fù)位狀態(tài)，直到SWRST復(fù)位使USART復(fù)位結(jié)束。PUC后禁止SPI模式。</p><p>　　由定義SYNC位確定USART模塊工作在異步模式或同步模式?？刂萍拇嫫鞯母魑辉趦煞N模式中功能上有差異。下面各位及其功能的

70、描述都是在同步模式下，即SYNC=。異步模式下的功能在USART串行接口UART模式部分中描述。</p><p>　　5.3.4 USART控制寄存器</p><p>　　控制寄存器的信息決定了USART模塊的基本操作。寄存器位選擇通信模式和字符位數(shù)。所有位根據(jù)選擇模式的編程都應(yīng)在因SWRST復(fù)位使USART復(fù)位之前進(jìn)行。</p><p>　　表5.2 USART

71、控制寄存器</p><p>　　UCTL（070h)</p><p>　　位0：如SWRST置位，USART的狀態(tài)機(jī)構(gòu)和運(yùn)行標(biāo)志初始化成復(fù)位狀態(tài)。所有受影響的邏輯保持在復(fù)位狀態(tài)，直至SWRST復(fù)位。這意味著一次系統(tǒng)復(fù)位后，只有對(duì)SWRST復(fù)位，USART才能重新被允許。</p><p>　　位1：當(dāng)MM位置位，選擇主機(jī)模式，當(dāng)MM位復(fù)位，選擇從機(jī)模式。</p&

72、gt;<p>　　位2：USART外圍模塊的模式選擇。</p><p>　　SYNC位選擇USART外圍接口模塊的功能。USART的一些控制位在UART模式和SPI模式中有不同的功能。</p><p>　　SYNC=0：UART模式</p><p>　　SYNC=1：SPI模式</p><p>　　位3：Listen位選擇是

73、否將發(fā)送數(shù)據(jù)內(nèi)部反饋給接收器。</p><p><b>　　位4：字符長度</b></p><p>　　選擇字符以7或8位發(fā)送。7位字符不用URXBUF和UTXBUF的最高位，這一位填“0”。</p><p>　　CHAR=0：7位 </p><p>　　CHAR=1：8位</p><p>&

74、lt;b>　　位5：未用</b></p><p><b>　　位6：未用</b></p><p><b>　　位7：未用</b></p><p>　　5.3.5 發(fā)送控制寄存器UTCTL</p><p>　　控制寄存器UTCTL控制與發(fā)送有關(guān)的 USART硬件。</p>

75、;<p>　　表5.3 USART發(fā)送控制寄存器</p><p>　　UTCTL（071h)</p><p>　　位0：發(fā)送移位寄存器和UTXBUF都為空時(shí)，發(fā)送器空標(biāo)志TXEPT置位，并在數(shù)據(jù)寫入U(xiǎn)TXBUF時(shí)復(fù)位。它在SWRST置位。</p><p>　　位1：從機(jī)發(fā)送控制位STC選擇STE引腳信號(hào)在主機(jī)和從機(jī)中的使用</p><

76、;p>　　STC=0：選擇SPI的4線模式，STE信號(hào)用于使主機(jī)避免總線沖突，或用于在從機(jī)</p><p>　　模式中控制發(fā)送和接收的允許。</p><p>　　STC=1：選擇SPI的3線模式，STE在主機(jī)、從機(jī)模式中不起作用。</p><p><b>　　位2、3：未用</b></p><p>　　位4、5：時(shí)

77、鐘源選擇0、1</p><p>　　只有當(dāng)選擇主機(jī)模式時(shí)，時(shí)鐘源選擇位定義用于波特率發(fā)生器的時(shí)鐘源。</p><p>　　SSEL1、SSEL00 選擇外部時(shí)鐘UCLK</p><p>　　1 選擇輔助時(shí)鐘ACLK</p><p>　　2、3 選擇主系統(tǒng)時(shí)鐘MCLK</p><p&

78、gt;　　主機(jī)模式（MM=1），不能選UCLK上的外部時(shí)鐘，因?yàn)橹鳈C(jī)將UCLK提供給所有從機(jī)。</p><p>　　從機(jī)模式SSEL0，SSEL0是無關(guān)緊要的，這時(shí)總是用外部UCLK信號(hào)作為它的時(shí)鐘。</p><p>　　位6、7：時(shí)鐘極性CKPL和時(shí)鐘相位CKPH，</p><p>　　CKPL位控制SPICLK信號(hào)的極性。</p><p>

79、;　　CKPL=0：低電平為無效電平，數(shù)據(jù)在UCLK的上升沿輸出，輸入數(shù)據(jù)在下降沿鎖存。</p><p>　　CKPL=1：高電平為無效電平，數(shù)據(jù)在UCLK的下降沿輸出，輸入數(shù)據(jù)在上升沿鎖存。</p><p>　　CKPH位控制SPICLK信號(hào)的相位。</p><p>　　CKPH=0：正常的UCLK時(shí)鐘</p><p>　　CKPH=1：U

80、CLK被延遲半個(gè)周期。</p><p>　　圖5.3 USART的時(shí)鐘相位和極性</p><p>　　當(dāng)工作在CKPH置位時(shí)，同步模式的USART在發(fā)送移位寄存器被裝入數(shù)據(jù)有效后和UCLK的第一個(gè)沿前準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)第一位。數(shù)據(jù)在UCLK的第一個(gè)沿鎖存，在第二個(gè)沿發(fā)送。</p><p>　　5.3.6 波特率選擇和調(diào)制控制寄存器</p><p>

81、　　波特率放生器用波特率選擇寄存器的UBR1和UBR2來產(chǎn)生串行數(shù)據(jù)流的位定時(shí)。最小的分頻因子為2。</p><p>　　表5.4 USART波特率選擇寄存器</p><p>　　UBR0（074h)</p><p>　　UBR1（075h)</p><p>　　MSP430系列，USART模塊的波特率值設(shè)定是通過以下三個(gè)參數(shù)決定的：UxBR

82、0,UxBR1,UxMCTL </p><p>　　波特率＝BRCLK/N </p><p>　　BRCLK:時(shí)鐘源; </p><p>　　N:波特率產(chǎn)生的分頻因子。N=UxBR1+UxBR0+UxMCTL,其中UxBR1+UxBR0為整數(shù)部分，UxMCTL為設(shè)定小數(shù)部分 </p><p>　　舉個(gè)實(shí)例：波特率＝2400，時(shí)鐘源＝32.76

83、8kHz </p><p>　　N=32768/2400＝13.65 </p><p>　　很明顯：UxBR1+UxBR0＝13，即UxBR1＝0，UxBR0＝13，主要是小數(shù)部分對(duì)于初學(xué)者不是很好理解; </p><p>　　首先把小數(shù)部分0.65×8，即5.2，取整后為5。這個(gè)5的意思就是在UxMCTL中的8位里要有5個(gè)1，剩下來的就是怎么分配這5個(gè)1

84、的位置了。注意一點(diǎn)就是這5個(gè)1要相對(duì)分散點(diǎn)。 </p><p>　　在這個(gè)設(shè)定中，UxMCTL取0x6B即：01101011，也可以是其它值。</p><p>　　可選擇的最大發(fā)送波特率，主機(jī)模式為波特率發(fā)生器輸入時(shí)鐘的一半，從機(jī)模式取決于在UCLK上提供的外部時(shí)鐘。</p><p>　　在串性同步通信時(shí)不需要用調(diào)整寄存器。建議將它復(fù)位（各位置為0）。</p&

85、gt;<p>　　表5.5 USART調(diào)整控制寄存器</p><p>　　UMCTL（073h)</p><p>　　5.4 nRF2401的操作</p><p>　　5.4.1 nRF2401的發(fā)送狀態(tài)</p><p>　　ShockBurstTM收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從微控制器送入，但高速(1Mb

86、ps)發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行，這種做法有三大好處：盡量節(jié)能；低的系統(tǒng)費(fèi)用(低速微處理器也能進(jìn)行高速射頻發(fā)射)；數(shù)據(jù)在空中停留時(shí)間短，抗干擾性高。ShockBurstTM技術(shù)同時(shí)也減小了整個(gè)系統(tǒng)的平均工作電流。</p><p>　　在ShockBurstTM收發(fā)模式下，nRF2401自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼。在發(fā)

87、送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)加上字頭和CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，DR引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。</p><p>　　發(fā)送各狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5.4所示：</p><p>　　5.4.2 nRF2401工作模式</p><p>　　nRF2401具有多種工作模式，下面主要介紹選用的ShockBurst模式。</p><p>　　nRF2401 Sho

88、ckBurst 收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先進(jìn)先出(FIFO)堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從單片機(jī)送入，高速(1Mbps)發(fā)射，因此極大的降低了功耗。ShockBurstTM發(fā)射主要通過nRF2401的CE、CLK1和DATA三個(gè)接口管腳來完成。當(dāng)單片機(jī)請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，置CE為高電平，使nRF2401開始工作，此時(shí)單片機(jī)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，然后單片機(jī)將CE置為低電平，激發(fā)nRF2401進(jìn)行ShockBurstTM發(fā)射。

89、</p><p>　　ShockBurstTM發(fā)射流程需要用到的接口引腳為CE，CLK1，DATAA. 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，其把CE置高，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nRFRF2401；C. 微控制器把CE置低，激發(fā)nRF2401進(jìn)行ShockBurstTM發(fā)射；D. ShockBurstTM發(fā)射 (1) 給射頻前

90、端供電； (2)射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、CRC校驗(yàn)碼)； (3) 高速發(fā)射數(shù)據(jù)包； (4)發(fā)射完成，nRF2401進(jìn)入空閑狀態(tài)。</p><p>　　5.4.3 nRF2401 配置模式</p><p>　　RF2401的初始配置子程序編程思想。單片機(jī)初始化后，將CE置低電平，CS置高電平，至少延時(shí)3ms后nRF2401進(jìn)入配置狀態(tài)。由nRF2401的配置時(shí)序圖

91、5.2可知，配置過程具體如下：先將CLK1置低，保持低電平至少500ns，然后將其置高，以保證數(shù)據(jù)在CLK1上升沿寫入nRF2401，再寫一個(gè)延時(shí)程序保持高電平至少500ns，保證數(shù)據(jù)的寫入。各狀態(tài)字配置完成后，將CS置低使配置有效。編程中所需的延時(shí)時(shí)間TCS2DATA ，Ts，Th 的最小值分別為：TCS2DATAmin=5us，Tsmin=500ns, Thmin=500ns。</p><p>　　圖5.5為

92、nRF2401配置時(shí)序圖</p><p>　　圖5.5 配置時(shí)序圖</p><p>　　nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和DATA三個(gè)引腳完成，把其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式需要15字節(jié)的配置字，而如把其配置為直接收發(fā)模式只需要2字節(jié)的配置字。這里使nRF2401工作于ShockBurstTM收發(fā)模式，這種工作模式下，系統(tǒng)的程序編制會(huì)更加簡單，并且穩(wěn)定性也會(huì)更

93、高。ShockBurstTM的配置字使nRF2401能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，在nRF2401工作的過程中，只需改變其最低一個(gè)字節(jié)中的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間切換。在配置模式下，注意保證PWR_UP引腳為高電平，CE引腳為低電平。配置字從最高位開始，依次送入nRF2401。在 CS引腳的下降沿，新送入的配置字開始工作。</p><p>　　ShockBurstTM配置字主要對(duì)以下幾部分進(jìn)行配置：&

94、lt;/p><p>　　1、有效數(shù)據(jù)寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分接收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)碼；</p><p>　　2、地址寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù)；</p><p>　　3、地址：接收數(shù)據(jù)通道，通道1的地址和通道2的地址；</p><p>　　4、CR

95、C：使nRF2401能夠生成CRC校驗(yàn)碼和解碼。</p><p>　　當(dāng)使用nRF2401片內(nèi)的CRC技術(shù)時(shí)，要確保在配置字中CRC校驗(yàn)被使能，并且發(fā)送和接收使用相同的協(xié)議。nRF2401配置字的各個(gè)位描述如表5.6所示：</p><p>　　表5.6 nRF2401配置字描述</p><p>　　144位配置字為8E081F4040BBBBBBBBBBBBBBBB

96、BBBB434F05，其中重要的控制字設(shè)置如下：</p><p><b>　　位23~18：</b></p><p>　　ADDR_W：在突發(fā)傳遞模式下的地址段長度，最高為40位。本設(shè)計(jì)設(shè)置地址段長度為16位，ADDR-W的值為16，則各位的邏輯值如表5.7所示：</p><p>　　表5.7 地址段長度設(shè)置</p><p&

97、gt;<b>　　位17：</b></p><p>　　CRC_L：校驗(yàn)段長度。值為1是16位，值為0是8位。本設(shè)計(jì)選用16位校驗(yàn)段長度，則17位的邏輯值為1。</p><p><b>　　位16：</b></p><p>　　CRC_EN：校驗(yàn)使能。值為1是校驗(yàn)有效，為0是校驗(yàn)無效。本設(shè)計(jì)選用校驗(yàn)有效，則16位的邏輯值為

98、1。</p><p><b>　　位15：</b></p><p>　　RX2_EN：啟用通道數(shù)。值為1是雙通道接收，為0是單通道接收。本設(shè)計(jì)選用單通道接收，則15位邏輯值為0。</p><p><b>　　位14：</b></p><p>　　CM：通信模式選擇位。值為1表示工作于突發(fā)傳遞模式，為

99、0表示工作于直接傳遞模式。本設(shè)計(jì)選用突發(fā)傳遞模式，則14位邏輯值為1。</p><p><b>　　位13：</b></p><p>　　RFDR_SB：通信速率選擇位。值為1是1Mbps，為0是250kbps。本設(shè)計(jì)選用250kbps。則位13的邏輯值為0。</p><p><b>　　位9~8：</b></p&g

100、t;<p>　　RF-PWR：輸出功率選擇位，其選擇模式如表5.8所示：</p><p>　　表5.8 輸出功率設(shè)置</p><p>　　本設(shè)計(jì)選用功率為0，則9~8位的值為11。</p><p><b>　　位7~1：</b></p><p>　　RF_CH#：設(shè)置nRF2401的工作頻段。工作頻段的計(jì)算

101、方法由下式給出：</p><p>　　WB=2400MHz+RF_CH#×1.0MHz</p><p>　　本設(shè)計(jì)設(shè)置nRF2401工作在2402MHz頻段，則RF_CH#的值為2，由此可得位7~1的值為0000010。</p><p>　　位0：設(shè)置工作狀態(tài)。值為1表示工作在接收狀態(tài)，為0工作在發(fā)送狀態(tài)。本課題的目的在于控制nRF2401的發(fā)送，則位0

102、的為0。</p><p>　　5.5 程序流程圖</p><p>　　整個(gè)軟件設(shè)計(jì)包括初始化程序、管腳模擬程序和數(shù)據(jù)發(fā)送程序</p><p>　　程序總流程圖如圖5.6所示，配置子程序流程圖如圖5.7所示，nRF2401 ShockBurst方式發(fā)送流程圖如圖5.8所示。</p><p>　　圖5.6 程序流程圖</p>&l

103、t;p>　　首先對(duì)MSP430單片機(jī)進(jìn)行初始化，SPI設(shè)置為主機(jī)方式。此系統(tǒng)中波特率選擇為115200，在初始化串口讀數(shù)中，設(shè)置分頻計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘為外部8M晶振產(chǎn)生高頻時(shí)鐘，根據(jù)公式計(jì)算的到分頻因子包括整數(shù)部分和小數(shù)部分，整數(shù)部分存入波特率選擇寄存器UxBR0、UxBR1中，小數(shù)部分由調(diào)整控制寄存器UxMCTL反映。</p><p>　　使其滿足對(duì)nRF2401的控制。之后激活nRF2401，利用查表程序來完

104、成對(duì)nRF2401的144位配置字的配置，配置完成后nRF2401進(jìn)入發(fā)送狀態(tài)。nRF2401發(fā)送數(shù)據(jù)前，需要MSP430通過SPI總線在待機(jī)模式下先把待發(fā)數(shù)據(jù)填進(jìn)發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器中，發(fā)送到數(shù)據(jù)時(shí)，nRF2401自動(dòng)將DR1置高，通知單片機(jī)從nRF2401讀取數(shù)據(jù)。單片機(jī)通過nRF2401發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，每次發(fā)送16位數(shù)據(jù)(先讀高8位，再讀低8位)，分4次讀完。發(fā)送讀完后，nRF2401進(jìn)入等待狀態(tài)，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包的到來。</p>

105、;<p>　　nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和DATA三個(gè)引腳完成，把其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式需要15字節(jié)的配置字，而如把其配置為直接收發(fā)模式只需要2字節(jié)的配置字。nRF2401一般工作于ShockBurstTM收發(fā)模式，這樣，系統(tǒng)的程序編制會(huì)更加簡單，并且穩(wěn)定性也會(huì)更高，ShockBurstTM的配置字使nRF2401能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，在nRF2401工作的過程中，只需改

106、變其最低一個(gè)字節(jié)中的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間切換。本系統(tǒng)對(duì)狀態(tài)字的144位進(jìn)行配置，其值為8E081F4040BBBBBBBBBBBBBBBBBBBB434F05。配置后nRF2401的通道1數(shù)據(jù)段長度64位，地址段長度16位，使能位16位校驗(yàn)段長度，單通道接收，突發(fā)傳遞模式，通信速率250kbps，晶振頻率16MHz，輸出功率0dBm，工作頻段2402MHz。</p><p>　　ShockBurst

107、TM的配置字可以分為以下四個(gè)部分：</p><p>　　數(shù)據(jù)寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分接 </p><p>　　收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)碼；</p><p>　　地址寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù)；地址：接收數(shù)據(jù)的地址，有通道1的地址和通道2的地址；CRC：使nRF2401

108、能夠生成CRC校驗(yàn)碼和解碼。</p><p>　　當(dāng)使用nRF2401片內(nèi)的CRC技術(shù)時(shí)，要確保在配置字中CRC校驗(yàn)被使能，并且發(fā)送和接收使用相同的協(xié)議。</p><p>　　在配置模式下，注意保證PWR_UP引腳為高電平，CE引腳為低電平。配置字從最高位開始，依次送入nRF2401。在 CS引腳的下降沿，新送入的配置字開始工作。</p><p>　　圖5.8 n