0 前言
現(xiàn)在,越來越多的無線技術(shù)被應(yīng)用到自動控制系統(tǒng)中。nRf2401是挪威Nordic公司推出的單片2.4GHz無線收發(fā)一體芯片,支持多點(diǎn)間通信,最高傳輸速率達(dá)到1Mbit/s,可以用于無線網(wǎng)絡(luò)中。
USB2.0口傳輸速率是480Mbps,有即插即用和熱插拔功能。接口提供內(nèi)置電源,可以向外設(shè)提供5V和最多500mA的電源。因此在以計算機(jī)為上位機(jī)的控制系統(tǒng)中,USB口比較適合作為計算機(jī)與測控網(wǎng)絡(luò)的接口。
USB接口器件的開發(fā)過程比較復(fù)雜,開發(fā)者需要知道USB協(xié)議、USB設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)、主機(jī)應(yīng)用程序開發(fā)等知識,使用USB-UART橋接電路CP2102可以避免上述麻煩。
1系統(tǒng)的設(shè)計思想及nRf2401和CP2102介紹
系統(tǒng)的設(shè)計思想如圖1所示。系統(tǒng)是由 CP2102、nRF2401、單片機(jī)等組成。
圖1 系統(tǒng)設(shè)計思想
nRF2401是業(yè)界體積最小、功耗最低、外圍元件最少的低成本射頻芯片。有125個頻道,速率(0~1Mbps)、發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可編程設(shè)置。每個芯片可以通過軟件設(shè)置最多40bit地址,而且只有收到本機(jī)地址時才會輸出數(shù)據(jù)。內(nèi)置CRC糾檢錯硬件電路和協(xié)議。nRf2401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。工作于2.4~2.5GHz ISM自由頻段,采用SoC方法設(shè)計,只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。nRF2401沒有復(fù)雜的通信協(xié)議,它完全對用戶透明,同種產(chǎn)品之間可以自由通信。
CP2102是美國Silicon公司生產(chǎn)的高集成度USB-UART橋接電路。它們能夠用最簡單的外部電路、最少的外部器件簡便實現(xiàn)USB2.0到UART的轉(zhuǎn)換。
使用CP2102作為USB接口器件最大的特點(diǎn)是開發(fā)方便:①廠商免費(fèi)提供適用于Windows(含Windows CE)、Linux等操作系統(tǒng)的驅(qū)動程序。驅(qū)動程序?qū)⒂嬎銠C(jī)的USB口虛擬成一個COM口,計算機(jī)使用普通操作串口的命令訪問虛擬COM口。②內(nèi)置USB2.0全速功能控制器、USB收發(fā)器、48MHz內(nèi)部晶體振蕩器、1KB字節(jié) E2PROM及異步串行數(shù)據(jù)總線(UART),電路無需任何外部的USB器件。③CP2102的UART接口波特率為300bps~921.6kbps,可以滿足無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸要求。
2硬件電路的實現(xiàn)
上位機(jī)系統(tǒng)電路如圖2所示。單片機(jī)選用ATmega16,是ATMEL公司生產(chǎn)的高性能、低功耗的8 位AVR® 微處理器,采用先進(jìn)的RISC 結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/MHz。片內(nèi)集成有16K 字節(jié)可編程Flash、512 字節(jié)的E2PROM、1K字節(jié)的SRAM、兩個可編程 的串行UART和可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI 串行接口。
圖2 上位機(jī)系統(tǒng)電路
CP2102無需外部電阻和晶體,VBus與REGIN引腳連到USB接口的Vbus端,在REGIN端加1μF的去耦電容。CP2102與單片機(jī)接口是標(biāo)準(zhǔn)UART電平,RTX、TXD引腳分別是串口的接收、輸出端,與單片機(jī)的對應(yīng)引腳相連。CP2102的USB端與計算機(jī)的USB口連接。CP2102的SUSPEND腳是USB口掛起信號端,接到單片機(jī)的PC4引腳。
圖3 無線收發(fā)模塊
上位機(jī)所有器件均由計算機(jī)的USB口提供電源。ATmega16L的電源電壓范圍為2.7~5.5V,nRF2401的電源電壓范圍為1.9~3.6V,利用計算機(jī)USB口的+5V電源,通過MIC2937A芯片將電壓轉(zhuǎn)換為3.3V。
無線收發(fā)模塊電路如圖3所示。nRf2401外圍元件很少,可使用單鞭天線或環(huán)形天線,電感需要采用高Q高精度的貼片繞線高頻電感,晶體需采用高穩(wěn)定晶體,電容應(yīng)選用高穩(wěn)定貼片元件。nRf2401通過SPI接口與單片機(jī)進(jìn)行通訊,ATmega16集成了SPI接口(CLK、MISO、MOSI引腳),與nRf2401的CLK1、DATA相連接。nRf2401的CS是片選端,CE是發(fā)送或接收控制端,PWR_UP是電源控制端,分別由單片機(jī)的PC5、PC6、PC7引腳控制。nRf2401的DR1為高時表明在接收緩沖區(qū)有數(shù)據(jù),接單片機(jī)的中斷引腳。
3 單片機(jī)程序設(shè)計
3.1單片機(jī)對串口的編程
ATmega16集成有串口,使用前需要先對它進(jìn)行初始化。具體過程如下:①UCSRA=0,異步正常模式;②UBRR=1,設(shè)置波特率為500Kbps;③UCR= 0x98,使能接收中斷,允許發(fā)送;④SREG=0x80;//開中斷。
初始化后,可以通過串口與CP2102進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。采用中斷方式接收,當(dāng)有串口數(shù)據(jù)到達(dá)時單片機(jī)產(chǎn)生中斷,單片機(jī)響應(yīng)中斷從接收緩沖器讀入數(shù)據(jù)。串口接收中斷程序如下:
#pragma interrupt_handler uart_rec:8
unsigned char i;
void uart_rec()
{i=UDR;}
串口發(fā)送程序如下:①UDR=1,發(fā)送數(shù)據(jù);②while(!(USR&0x40)),等待發(fā)送結(jié)束;③USR&=~0x40,清發(fā)送完標(biāo)志。
3.2單片機(jī)對nRf2401的編程
單片機(jī)對nRf2401的編程包括對nRf2401進(jìn)行配置、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)等程序。
當(dāng)PWR_UP=1、CE=0、CS=1時nRf2401進(jìn)入配置工作狀態(tài)。配置字最高可達(dá)18字節(jié),作用是使nRf2401子系統(tǒng)能夠處理RF協(xié)議。配置字從最高位開始,依次通過SPI接口(CS、CLK1和DATA)送給配置寄存器。本系統(tǒng)配置為ShockBurst方式,配置字分為如下四塊:有效數(shù)據(jù)寬度(DATA2_W和DATA1_W)、地址寬度(ADDR2和ADDR1)、接收頻道地址(ADDR_W)、CRC配置(CRC_L和CRC_EN)。其值從高到低分別為8EH, 08H, 1CH, 20H, 50H, 0AH, 0
BH, 0CH, 0DH, 0EH, 0AAH, 28H, 0AH, 0BH, 0CH, 0A3H, 6FH, 65H。配置后nRf2401的通道1數(shù)據(jù)段長度80bit(其中nRf2401的序列號8byte + 2byte溫度數(shù)據(jù)),地址段長度40bit,通道1硬件地址0AAH, 28H, 0AH, 0BH, 0CH,啟用16位片上校驗功能,單通道接收,突發(fā)傳遞模式,通信速率1Mbit/s,晶振頻率16MHz,工作頻段2.450GHz,開始處于接收狀態(tài)。
當(dāng)PWR_UP=1、CE=1、CS=0時為收發(fā)方式。ShockBurst發(fā)送過程如下:①CE=1,nRf2401開始工作;②將接收節(jié)點(diǎn)地址寫入nRf2401;將需要發(fā)射的數(shù)據(jù)寫入nRf2401;③CE=0,激活ShockBurst發(fā)送。
通過中斷方式接收數(shù)據(jù)。當(dāng)有數(shù)據(jù)需要接收時,nRf2401會將DR1置高產(chǎn)生中斷信號,接收完畢后DR1又會被置低。首先配置中斷0為上升沿觸發(fā)方式(ISC01=1, ISC00=1),具體接收過程如下:①校驗接收到的RF包的地址和欲接收的RF包中有效數(shù)據(jù)的長度;②CE=1,激活RX;③經(jīng)過200μs處理,nRf2401子系統(tǒng)監(jiān)視啟動并等待信號的到來;④當(dāng)收到一個有效的數(shù)據(jù)包(正確的地址和CRC),nRf2401子系統(tǒng)移去前綴、地址和CRC位;⑤nRf2401子系統(tǒng)通過把DR1置高,產(chǎn)生中斷信號;⑥CE=0,RF設(shè)為低功耗方式;⑦單片機(jī)取出有效數(shù)據(jù),需要注意的是,每接收一個字節(jié)需要先寫0xff 到nRF2401。
完整的射頻數(shù)據(jù)包由四部分組成:前綴、地址、有效數(shù)據(jù)和CRC。前綴一般是8位(也可以設(shè)置為4位,由地址的首位決定)。如果地址的首位是0,前綴為01010101;如果地址的首位是1,前綴為10101010。ShockBurst方式下,CP2102接收到有效的數(shù)據(jù)包后,自動移去前綴、地址和CRC,只留有效數(shù)據(jù)。
4 計算機(jī)控制軟件的編程
當(dāng)把CP2102與計算機(jī)連接時,系統(tǒng)會提示發(fā)現(xiàn)新硬件,并要求安裝驅(qū)動程序,執(zhí)行CP2102驅(qū)動程序的安裝文件即可。驅(qū)動程序安裝后,在設(shè)備管理器中會有CP2102虛擬的COM口(一般是COM3)。
VB開發(fā)環(huán)境集成有串口控件MSComm,該控件是將RS-232的初級操作予以封裝,用高級的Basic語言即可實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收[2]。
首先向工具箱添加MSComm控件,并產(chǎn)生一個串口對象,取對象名為“MSc”。然后編程對MSc進(jìn)行初始化,步驟如下:①M(fèi)Sc.CommPort=3, 選擇安裝驅(qū)動程序后計算機(jī)虛擬的COM3口;②MSc.Settings = "500000,n,8,1",設(shè)置通信波特率是500kbps,無校驗,8位數(shù)據(jù),1位停止位;③MSc.InputMode=1,數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存??;④MSc.RThreshold=1,每收到1個字符都觸發(fā)接收事件;⑤MSc.PortOpen=True,打開串口。
發(fā)送數(shù)據(jù)只是向控件的Output屬性寫數(shù)據(jù)即可,既MSc.Output=輸出的數(shù)據(jù)。
接收數(shù)據(jù)采取事件驅(qū)動方式,程序代碼如下:
Public Sub msc_OnComm()
Select Case MSc1.CommEvent
Case comEvReceive
av = MSc.Input '接收數(shù)據(jù)
……'根據(jù)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理
End S
elect
End Sub
5 結(jié)束語
本系統(tǒng)通過CP2102實現(xiàn)USB2.0接口,通過nRf2401通實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā),具有開發(fā)簡單、可靠性高等特點(diǎn),傳輸速率可以達(dá)到900kbps,在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等各個領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。本文的創(chuàng)新點(diǎn):系統(tǒng)使用CP2102芯片實現(xiàn)USB2.0接口,芯片廠商免費(fèi)提供驅(qū)動程序,計算機(jī)端程序開發(fā)方便。使用nRf2401實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā),有內(nèi)置地址設(shè)置、CRC糾檢錯、工作于自由頻段優(yōu)點(diǎn)。文章給出詳細(xì)的硬件電路和軟件程序。
參考文獻(xiàn)
[1] Silicon Laboratories Inc.CP2102 Product Data Sheet, http:// www.silabs.com,2006
[2] 范逸之等.Visual Basic與RS-232串行通信控制.北京:中國青年出版社,2002.1
[3] nRF240x Configurator User Guide. Nordic VLSI document, Nordic Cooperation.
[4] 彭祖林,鄧羅根,劉細(xì)華.用于測量體溫的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機(jī)信息,2005,1:59-61