1、 自控仪器箱无线收发接口的设计摘要: 本文主要介绍了在自控仪器箱上选用了低功耗无线数据传输接口的分析和设计。在分析对比常用有线技术的优缺点基础上，介绍了一种基于单片机和nRF24L01射频芯片高速无线数据传输系统。详细讲解了系统的硬软件设计，并给出了相关硬件电路原理图及单片机软件流程图和部分关键代码。系统选用了低功耗的MSP430系列单片机作为控制器，无线数据传输模块采用了同耗的射频通信芯片NRF24O1。利用NRF2401提供的通信模式进行数据通信。以MSP430FG4618单片机为核心,设计了一个进行数据采集,无线数据收发模块NRF24L01进行数据传输的系统。给出了硬件构成、软件设计及部
2、分程序。该模块电路简单，使用方便，有采样精度高，可靠稳定、功耗低等优点，能较好地实现数据的串行采集和无线传输同时系统程序部分充分利用MsP43O系列单片机提供的低功耗模式以降低系统的总功耗，此外本文就各模块芯片的通信协议以及对应的程序也进行了具体的分析。关键词：无线数据传输，MSP430，NRF24L01The design of wireless data communication on the Control instrument boxAbstract :The main purpose of this paper is to introduce the analysis and de
3、sign of wireless data communication on the Control instrument box In analyzing the undation of contrasting the in common use wireless technical merit and shortcoming，introduced one kind to deliver system towards ordering a high-speed wireless data according to the ordering of the machine and the nRF
4、24L01 radio frequency chipExplained in detail the hard software design of system in detail，and give a related hardware electric circuit principle diagram and single slice of machine software flow chart and parts of key codes.This system is composed of the 1ow_power MCU of MSP430NRF2401 used for RF c
5、ommunicationThe software is the mode of communication provided by the NRF2401，which is chosen to complete the communications in the system This paper presents a mew module based on MSP430FG4618 is applied for data collection and wireless receive。and transmission chip NRF24L01 is applied for data tra
6、nsmission, meanwhile this paper provides the hardware structure，software design and some proceduresThis module has the advantages of easy circuit， convenience to use,high sample accuracy,reliability and low powerAt the same time，the sleeping modes provided by the MCU are fully utilized to reduce the
7、 systems power consumption In addition，the communication protocol and the program of the chips are a1so analyzedKeywords ： Wireless data communication ，MSP430，NRF24L01第 I 页 共 II 页目 录第 1 章 绪 论 .11.1 研究背景、目的及意义 .11.1.1 研究背景 .11.1.2 研究目的 .11.1.3 研究意义 .21.2 本论文的研究内容 .2第 2 章 无线数据传输技术 .42.1 无线通信技术发展的历史 .4
8、2.2 国内无线通信技术的发展 .62.3 国外无线通信技术的发展 .62.4 无线通信技术的发展趋势 .7第 3 章 系统器件选择 .93.1 系统设计总体方案 .93.2 硬件的选择与说明 .113.2.1 MSP430FG4618 介绍 .123.2.2 NRF24L01 介绍 .143.2.3 无线数据收发模块介绍 .17第 4 章 硬件电路设计 .204.1 主控制器电路 .204.2 无线收发模块电路 .214.3 电源电压转换电路 .21第 5 章 软件设计 .225.1 主程序模块 .225.2 各模块程序流程设计 .245.2.1 无线通信测试程序 .245.2.2 数据处理
9、流程 .255.2.3 收发数据程序 .29第 II 页 共 II 页 5.2.4 A/D 转换流程 .31第 6 章 总结和体会 .33附 录 .34参 考 文 献 .39致 谢 .41第 1 页 共 41 页第 1 章 绪 论1.1 研究背景、目的及意义1.1.1 研究背景当今的各种智能化控制系统，比如智能化小区内部的无线抄表系统、门禁系统、防盗报警系统和安全防火系统等，工业数据采集系统，水文气象控制系统，机器人控制系统、数字图象传输系统等等，都离不开数据信息的传输 1。可以说，数据信息传输系统是各种智能化控制系统的重要组成部分。而数据传送的方式大部分采用有线的数据传送方式，例如并行传送、
10、串行传送、CAN 总线和Lonworks总线等等。在有线数据传输方式当中，数据的传输载体是双绞线、同轴电缆或光纤。其实，数据传输还可以有无线传输方式，即通过空气或真空实现数据传送。相比于传统的有线数据传输方式，无线传输方式可以不考虑传输线缆的安装问题，从而节省大量线缆，并且降低施工难度和系统成本，是一个很有发展潜力的研究课题 2。而近年来，自控仪器箱的通信接口多为232串行接口或并行接口，在USB接口技术已经很成熟的今天，232串行接口的传输速率已经远远不能满足我们对传输速率的要求。无线数据收发接口在自控仪器箱上的应用，体现出其功能模块完善，设计制作精细，可扩展32位数据传输操作的功能，能够满
11、足我们的需要。目前，随着无线通信技术的迅速发展，各种各样的无线网络已经进入了我们的日常生活与实验学习，线通信系统相比，无线通信系统有建网快速、移动方便、省去布线烦恼等优点，因此当系统的抗干扰性达到要求并且建设成本可以接受时，无线通信技术为人们的首选 3。短距离射频通信技术成为一种热门技术，并已广泛应用于实际中。射频芯片nRF2401，在单片机Msp430的控制下，实现了短距离的无线数据通信。当今的各种智能化控制系统均离不开数据信息的传输。其中，无线数据传输是区别于传统有线传输的新型传输方式，系统不需要传输线缆、成本低廉、施工简单，将单片机和微机配上相应的无线通信接口电路，就可以实现单片机之间或
12、单片机与微型计算机之间的无线数据传输 4。1.1.2 研究目的本文所设计的基于USB无线收发接口的电路能够克服有线通信的缺陷，提高数据传输速率，保障数据传输的可靠性。同时可通过软件配置接收和发送地址，实现数据的第 2 页 共 41 页 无线通信。在一些特殊的应用场合中，单片机之间的远程通信不能采用有线的数据传输，而是需要采用无线数据传输的方式。人们在日常生产、生活和学习中，对于采集的数据传输大多数采用有线方式，但是在实验室或不便于铺设线缆的地区进行数据传输时，采用有线方式就受到了限制，所以本课题的主要研究目的就是在实验室实现自控仪器箱的无线数据传输，进而实现数据的快速、高效传输。1.1.3 研
13、究意义研究自控仪器箱上的无线收发模块，不仅可以满足数据的传输速度，还能大大提高实验室的工作效率和工作质量，在大量减少布线、节省空间的同时，又可以加快数据传输速度，方便实验者进行操作，使得实验者不仅可以获取同步演示实验数据，还能同时观察实验结果。在自控仪器箱上基于无线USB的通讯方式，相对于现在大多数数据传输系统所用的有线通讯方式而言，具有通用性强、组合安装灵活、受地域限制小等优点 5。随着无线技术和USB技术的发展，这种通讯方式将展现出越来越大的优势，对未来自控仪器箱在实验室的广泛应用具有良好的推动作用，对实验室的整体实验水平和研究水平的提高都具有重要意义，而且为数控设备端的通讯开拓一片新的天
14、地，这就是本课题研究的意义。1.2 本论文的研究内容本文利用单片机Msp430FG4618和射频芯片nRF24L01给出了一种近距离无线数据传输系统的具体设计方案，通过自控仪器箱上单片机Msp430FG4618的控制和射频芯片nRF24L01的接收发射数据工作，最终达到计算机与自控仪器箱的数据传输。论文共分五章，根据论文各章节的顺序，具体研究内容安排如下：第一章 绪论，介绍课题研究的背景、目的和意义。 第二章 综述了无线数据通信的方法，并着重介绍了各种无线数据通信的优点、原理。指出无线数据通信模块在军用、民用、实验室等领域有着越来越广泛的应用。第三章 首先介绍了自控仪器箱无线数据传输系统的总体
15、介绍，然后逐个对系统中各部件进行介绍，对其工作原理、性能、应用领域等都做了详尽的描述。第四章 根据自控仪器箱实验对数据传输的要求，对硬件电路设计、数据参数、等进行叙述。 第五章 对程序流程图及主要程序进行介绍。第 3 页 共 41 页 第六章 总结和体会，总结论文的主要工作和创新点，并对下一步工作做出展望，为今后进一步研究指明了方向。第 2 章 无线数据传输技术2.1 无线通信技术发展的历史早在 1897 年，马可尼使用 800KHZ 中波信号进行了从英国至北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的线无电报通信试验，开创了人类无线通信的新纪元。在无线通信第 4 页 共 41 页 初期，受技术条件的限
16、制，人们大量使用长波及中波进行通信。20 世纪 20 年代初人们发现的短波通信，直到 20 世纪 60 年代卫星通信兴起前，它一直是远程国际通信的重要手段，并且目前对应急通信和军用通信依然有一定实用价值 6。20 世纪 40 年代到 50 年代产生了传输频带较宽、性能较稳定的微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的重要手段。模拟调频传输容量高达 2700 路，亦可同时传输高质量彩色电视信号，而后逐步进入中容量至大容量数字微波传输 7。80 年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现及一系列自适应衰落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性变
17、化。特别应该指出的是 20 世纪 80 年代到 90 年代发展起来的一整套高速多状态自适应编码调制解调技术与信息号处理及信号检测技术，对现今卫星通信、移动通信、全数字HDTV 传输、通用高速有线/无线接入，乃至高质量磁性记录等诸多领域的信号设计与信号处理及应用，发挥了重要作用 8。随着国民经济和社会发展的信息化，人们要通信息化开创新的工作方式、管理方式、商贸方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、医疗保健方式以及消费与生活方式 9。无线通信也从固定方式发展为移动方式，移动通信发展至今大约经历了五个阶段第一阶段为 20 年代初至 50 年代初，主要用于舰船及军有，采用短波频及电子管技术，至该
18、阶段末期才出现 150MHZVHF 单工汽车公用移动电话系统 MTS。第二阶段为 50 年代到 60 年代，此时频段扩展至 UHF450MHZ，器件技术已向半导体过渡，大都为移动环境中的专用系统，并解决了移动电话与公用电话网的接续问题。第三阶段为 70 年代初至 80 年代初频段扩展至 800MHZ，美国 Bell 研究所提出了蜂窝系统概念并于 70 年代末进行了 AMPS 试验。第四阶段为 80 年代初至 90 年代中，为第二代数字移动通信兴起与大发展阶段，并逐步向个人通信业务方向迈进。此时出现了 D-AMPS、TACS、ETACS、GSM/DCS、cdmaOne、PDC、PHS、DECT、
19、PACS、PCS 等各类系统与业务运行，频段扩展至 900MHZ1.9GHZ，而且除公众蜂窝电话通信系统外，无线寻呼系统、无绳电话系统、集群系统、无中心多信道选址移动通信系统等各类移动通信手段适应用户市场需求同时兴起并各显神通 10。第五阶段为 90 年代中至今，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第三代移动通信开始兴起，其全球标准化及相第 5 页 共 41 页 应融合工作与样机研制和现场试验工作在快速推进，包括从第二代至第三代移动通信的平滑过渡问题在内。对于第三代移动 TMT-2000 纷纷参与标准的制定，经多次融合努力在 1999 年 10 月
20、25 日至 11 月 5 日芬兰赫尔辛基召开的 ITU-RTG8/1 第 18 次会议上5 类 RTT 技术标准共 6 种方案成为最终结果。中国的 TD-SCDMA 方案也已成为其中之一。应该指出，UTRAWCDMADS 及 TIAcdma2000MC 的相应起步样机已经诞生，包括以GSM、csmaOne 后向兼容为基础的第二代半过渡设备（G）EDGE、cdmaIS-95BHDR（2.4Mbit/s 峰值速率，64QAM 调制）及 cdma2000-1X 等亦已推出 11。此外，为接续 Internet 移动游览应用的无线应用协议（WAP）与无线连接技术蓝牙（Bluetooth）已经产生。从网
21、络的角度来看，接入网可分成有线接入网和无线接入网、光缆同轴混合接入网、铜线电缆、对绞线、电话（一般为铜线）接入网等等；无线接入技术是近些年迅速发展起来的新技术领域，它从概念上产生了一个重大的飞跃，即不需要缆线类物理传输媒质而采用无线传播手段来代替部分接入网甚至入网的全部，从而达到降低成本、提高灵活性和扩展传输距离的目的。短距离之内的接入技术主要有蓝牙（Bluetooth）、红外线、DECT、IEEE802.11 和共享无线接入协议（SWAP）/HomeRF 等系统。继广域网、局域网之后，最近人们又提出了“无线个域网”。这一新概念将小范围应用提升至网络理论的高度。在短短的时间，WPAN 成为一个
22、受人瞩目的新热点，WPAN 的研究组成立不到 1 上，就演变为 IEEE 的专门工作组 IEEE802.5（即WPANWorkingGroup，于 1999 年 3 月成立），可见其受重视的程度。比较而言，Bluetooth 系统更具有代表性，它正根据 WPAN 的概念向前发展。事实上，Bluetooth和 WPAN 的概念相辅相成，Bluetooth 已经是 WPAN 的一个雏形。从它最初由Ericsson，IBM，Inter，Nokia 和 Toshiba 公司作为原始发起组织而推出，1 年多时间已吸引了近 2000 个国际上有影响的公司参与 12。1999 年底，美国的 4 家公司3CO
23、M，Lucent，Microsoft 和 Motorola，与上述 5 公司一样作为 Bluetooth 的发起组织，使它在与 SWAP、IEEE802.11 等类似应用标准的竞争中脱颖而出，发展前景更加明朗。为了推动 Bluetooth 的发展，Bluetooth 的标准是非专利的，Bluetooth 已成为目前通信领域的一个新热点，预计不远的将来就可成为小范围无线多媒体通信的国际标准 13。总之，无线通信技术前景一片光明。 第 6 页 共 41 页 2.2 国内无线通信技术的发展当前，中国是世界各国通信技术运营商和设备制造商关注的焦点，大家都希望在中国的市场上占有自己的发展空间和市场份额。
24、移动通信在中国发展十分迅速，中国移动通信的走向一直为世人所瞩目。1987 年 11 月，我国广东正式开通了第一个 TACS制式模拟蜂窝移动通信系统，实现了移动电话用户“零”的突破。1994 年底，广东又首先开通了 GSM 数字蜂窝移动通信系统，至 1995 年，全国已 15 个省、市也相继开通了 GSM 移动通信网。迄今为止，全国各省、自治区、直辖市面上都建设了 GSM 网，实现了国内和国际的全自动漫游。从 1987 年至今，我国移动电话用户数的增长很快，尤其是 GSM 网更是以人们始料不及的速度在迅猛发展 。这主要是因为 GSM 系统在技术和经济方面均比 TACS 系统有较大的优势，更重要的
25、是我国在 GSM 运营领域引入了竞争机制，促进了 GSM 网的发展。我国的移动通信用户已超过了 8000 万，位居世界第二 14。近 10 年来，我国在移动通信领域的科研、设备生产等方面也取得了可喜的进步。国产移动通信设备交换系统、基站和手机等都已经投入生产，并陆续投放市场，第三代移动通信系统的开发和研究也正与世界同步。可见，中国无线通信在运营业与制造业上已取得了第一阶段的成功。2.3 国外无线通信技术的发展随着无线技术和 USB 技术的发展，这种通讯方式将展现出越来越大的优势，为数控设备端的通讯开拓一片新的天地。目前，国外先进的无线通信技术主要有以下几种：1、CDMA 接入技术 CDMA 即
26、 code-division multiple access 的缩写，译为“码分多址分组数据传输技术” ，被称为第 2.5 代移动通信技术。目前采用这一技术的市场主要在美国、日本、韩国等，全球用户达 9500 万。CDMA 与 GSM 一样，也是属于一种比较成熟的无线通信技术。CDMA 数字网具有以下几个优势：高效的频带利用率和更大的网络容量、简化的网络规划、通话质量高、保密性及信号覆盖面广等 15；2、DBS 卫星接入技术 DBS 技术也叫数字直播卫星接入技术，该技术利用位于地球同步轨道的通信卫星将高速广播数据送到用户的接收天线，所以它一般也称为高轨卫星通信。其特点是通信距离远，费用与距离无关，覆盖面积大且不受地理条件限制，
