1、第 1 页 共 38 页基于 MSP430和 nRF905的无线通信系统设计摘 要阐述了利用 MSP430 和 nRF905 组成的无线系统的设计方案，给出了硬件原理图，并提出了用电池供电时相应的低功耗策略。在特殊环境的数据测控应用中,无线数据传输已经越来越广泛地被运用, 以往设计无线数传产品往往需要相当的无线电专业知识，因而影响了用户的使用和新产品的开发，nRF905 高速单片无线收发芯片为无线数传应用提供了较好的解决办法。MSP430 CPU 在低功耗应用方面有很大优势, 而且 MSP430 是目前市场功耗最低的单片机，nRF905 无线收发芯片具有功耗低、控制简单、可自动处理字头和 CR
2、C 校验的优点,MSP430+nRF905 的组合特别适合于低功耗,短距离（100-200m）、小数据量的无线数传系统。本设计实现了基于 MSP430F149 和 nRF905 的无线通信。发送端和接收端之间的距离为 100-200 米，之间没有任何有线连接，通过发送端发送数据，在接收端能正确接收数据并显示在 PC 机上。实验表明，该系统实时性好，性能可靠。关键词：MSP430nRF905，无线数据传输，低功耗 第 2 页 共 38 页Based on the wireless communication nRF905 and MSP430 system designAbstractThis
3、paper nRF905 and composed of wireless MSP430 design scheme of the system, hardware diagram, and put forward the corresponding with batteries when low-power strategy. In the special environment of data measurement applications, wireless data transmission has been more and more widely used wireless di
4、gital product design, often need quite a radio, thus affecting the professional knowledge of the use of users and the development of new products, nRF905 high-speed single chip wireless transceiver chip for wireless digital application provides a better solution. MSP430 CPU in low power consumption
5、has great advantages in application and market at present is the lowest power consumption MSP430 MCU nRF905 wireless transceiver, the chip with low power consumption, simple control, automatic processing of the CRC check digit and advantages, the combination nRF905 + MSP430 specially suitable for lo
6、w consumption, short (100 - the blast-caused), small volume of wireless digital systems. This design is realized based on MSP430F149 and nRF905 wireless communication. Sender and receiver is the distance between the 100-200 meters, without any cable connection between the sender sends data, through
7、at the receiving end, can correctly receive data and displayed on the PC. Experimental results show that the system has a good real-time performance, reliable performance.Key words: MSP430nRF905, wireless data transmission and low power consumption第 3 页 共 38 页1 引言11 本课题的目的及研究意义随着信息技术的不断发展，人们对通信技术的需求
8、越来越强，摆脱有线网络的束缚实现无线通信始终是大家关心的问题，当今无线通信研究越来越热，应用非常广泛，使人与人之间的通信更加方便快捷，更具有市场发展前景。而在特殊环境的数据测控应用中,无线数据传输已经越来越广泛地被运用, 以往设计无线数传产品往往需要相当的无线电专业知识，因而影响了用户的使用和新产品的开发，nRF905 高速单片无线收发芯片为无线数传应用提供了较好的解决办法。MSP430 CPU 在低功耗应用方面有很大优势 , 而且 MSP430 是目前市场功耗最低的单片机，nRF905 无线收发芯片具有功耗低、控制简单、可自动处理字头和CRC 校验的优点, 两者结合的无线数传系统可以在遥控装
9、置、工业控制、家庭自动化、玩具等多种产品中得到应用。所以，本课题选择基于 MSP430 和 nRF905 的无线系统设计。MSP430+nRF905 的组合特别适合于低功耗,短距离（100-200m）、小数据量的无线数传系统, 采用通用的低功耗单片机 MSP430 作为主芯片，nRF905 作为无线收发模块，利用 SPI 口实现双向通讯，SPI 支持高速数据传输，从而满足了射频带宽的要求。nRF905 提供了强大的跳频机制以及大量的频道支持，可以用在许多特殊的场合，而且即使利用无增益的 PCB 天线其传输距离也可达 200m，如果需要更远距离的传输，也可以改成带增益的天线，传输距离即可扩大到
10、1 千米以上，第 4 页 共 38 页可满足不同客户的需求。2 系统设计无线通信系统，由两个部分组成：发送终端，接收终端。数据的发送和接收显示是借助于串口来实现的，通过 PC 机串口给发送终端送数据，然后发送终端通过 nRF905 把数据发送出去；接收终端通过 nRF905 接收数据，然后把接收到的数据通过串口传给 PC 机。系统框图如图 2.1 所示。21 MSP430 简介发送端 接收端图 2.1 系统框图MSP430 是 TI 公司新推出的 16 位系列单片机,在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势,其工作电压在 1.8-3.6V 之间,正常工作时功耗可控制在 200A 左右,低功耗模式
11、使可实现 2A 甚至 0.1A 的低功耗,MSP430 具有非常高的集成度,通常在单个芯片上集成有 12 位的 A/D、比较器、多个定时器 ,片内 USART、看门狗、片内振荡器、大量的 I/O 端口及大容量的片内存储器, 一般单片就可以满足大多数的应用需要。 【1】在低功耗应用中设计程序时,最好采用以下方法：CPU 在初始化完成后,处于低功耗工作模式,在有外部事件发生时唤醒进入终端服务程序,完成后重新进入低PC 机 MCU nRF905PC 机 MCU nRF905第 5 页 共 38 页功耗模式,照此循环往复,可以最大限度地降低功耗。本设计中选用 MSP430Fl49 作为微处理器，其工作
12、电压为 18V 一 36V，正常工作时电流为 300uA 左右，在休眠条件下工作的电流仅为 08uA。MSP43OF149 具有非常高的集成度并提供了SPI 接口，满足了设计的需要。22 nRF905简介nRF905 是挪威 Nordic 公司推出的单片射频发射器芯片,工作电压为 1.9-3.6V,32 引脚 QFN 封装（5mm5mm）,工作于 433/868/915MHz3 个 ISM 频道。nRF905 可以自动完成处理字头和 CRT（循环冗余码校验）的工作,可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码,使用 SPI 接口与微控制器通信,配置非常方便,其功耗非常低,以-10dBm 的输出功率发
13、射时电流只有 11mA,在接收模式时电流为12.5mA。nRF905 传输数据时为非实时方式,即发送端发出数据,接收端收到后先暂存于芯片存储器内,外面的 MCU 可以在需要时再到芯片中去取。nRF905 一次的数据传输量最多为 32B。 【2】nRF905 是一款收发一体化的无线接收芯片，工作电压为 1936V，工作于 433，8689l5MHz 三个频道，带有调制器和解调器，发送时可以自动打包，接收时可以自动地址匹配、自动 CRC 校验，发送或接收完毕后，其 DR 引脚会自动设置为高平，以表示发送或接收完毕。nRF905 提供给应用的控制器一个 SPI 接口，速度由微控制器自己决定，因此编程
14、非常方便。其功耗非常低，以一 lodBm 的输出功率发射时电流只有 llmA，在接收模式时电流为 125mA，掉电状态电流仅为25uA。nRF905 共有 4 种工作模式，分别为掉电和 SPI 编程模式、待机和 SPI 编程模式、接收模式、发送模式。其工作模式由 CPU 控制 3 个引脚 TRX-CE，TX-EN和 PWR_UP 的高低电平决定，对应关系为表 2.1 所示。 【3】表 2.1 nRF905 工作模式PWR_UP TRX_CE TX_EN 工作模式0 掉电模式第 6 页 共 38 页1 0 待机模式1 1 0 射频接收模式1 1 1 射频发送模式3 系统硬件设计MSP430 的
15、USART 模块可通过寄存器配置为通用异步串行口或 SPI 模块功能,这里配置为 SPI 模块,本系统选用的 MCU 是 MSP430F149,在硬件设计时把 MCU 的SPI 接口和 nRF905SPI 接口相连即可,另外再选几个 I/O 口连接 nRF905 输出输出信号,如图 3.1 所示。 【4】本系统采用的射频收发器为 NordicVLSI 公司的 nRF905,工作电压为1.93.6V，工作于 433/868/915MHz 三个 ISM 频段，频段之间的转换时间小于650us。nRF9第 7 页 共 38 页图 3.1 MSP430F149 控制 nRF905 的硬件原理图05 由
16、频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器。高抗扰 GFSK 调制，数据速率为 50kbps，独特的载波监测输出，地址匹配输出，数据就绪输出。ShockBurstTM 工作模式，自动处理字头和 CRC(循环冗余码校验)，使用 SPI 接口与微控制器通信，配置非常方便。 【5】 此外，其功耗非常低，以-10dBm 的输出功率发射时电流只有 11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905 的硬件连接电路图如图 3.2 所示。第 8 页 共 38 页图 3.1 MSP430F149 控制 nRF905 的硬件原理
17、图采用的微处理器为 TI 公司的 MSP430F149，它是一种超低功耗的混合信号控制器，具有 16 位 RISC 结构，CPU 中的 16 个寄存器和常数产生器使 MSP430 能达到最高的代码效率。单片机通过采用不同的时钟源工作可以使器件满足不同功耗要求，适当选择时钟源，可以让器件的功耗达到最小。外设主要有存储器、时钟模块、定时器、USART 和 A/D 转换器等。 【6】此次设计主要用到了 MSP430F149 两个串口通信模块 USART0 和USART1，USART0 作为 UART 使用，提供异步通信，通过 MAX3232 电平转换芯片提供 RS-232 接口和PC 机进行通信，U
18、SART1 作为 SPI 使用，提供同步通信，主要是和 nRF905 之间进行第 9 页 共 38 页图 3.1 MSP430F149 控制 nRF905 的硬件原理图第 10 页 共 38 页命令和数据通信。 【7】 把 MSP430F149 的 P2 口作为一般引脚使用，与 nRF905 的其他引脚相连。对 MSP430F149 提供双晶振系统，低频晶振为 32.768K，与微控制的XIN 和 XOUT 相连，为 RS-232 接口提供频率支持，高频晶振为 8M，和微控制器的XT2 相连，为系统运行的主时钟。系统的整体设计相对较为简单，不过在此基础上可以实现遥测，无线抄表，工业数据采集，机器人控制等。发送和接收的硬件电路是一样的，系统设计主要硬件电路图如图 3.3 所示。 【8】图 3.2 nRF905 的硬件连接电路图4 系统硬件实现MSP430Fl49 用标准的 SPI 与 nRF905 进行通信，本系统中 nRF905 为从机，因此通信速度由微处理器决定。nRF905 与 MSP430Fl49 的接口如图 4.l 所示，其中MOSI、MISO、SCK、CSN 分别与主机的 SPI 接口对应，TRXCE、TXEN 和 PWR
