摘 要： 介紹一種基于MCU" title="MCU">MCU和nRF905" title="nRF905">nRF905的低功耗遠(yuǎn)距離無線傳輸" title="無線傳輸">無線傳輸系統(tǒng)，描述了系統(tǒng)設(shè)計軟硬件的實(shí)現(xiàn)方法和多點(diǎn)傳輸數(shù)據(jù)的通信協(xié)議。系統(tǒng)主控芯片采用通用的低功耗MCU芯片MSP430 ，射頻芯片采用具有多信道的單片收發(fā)芯片nRF905。同時提出了跳頻機(jī)制保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，增加了系統(tǒng)的魯棒性。
    關(guān)鍵詞： nRF905  無線數(shù)據(jù)傳輸  低功耗  跳頻

    目前，在遙控遙測、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、無線遙控系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)鍵盤等許多應(yīng)用領(lǐng)域，都采用無線方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。本文介紹一種采用通用的低功耗單片機(jī)MSP430作為主控芯片、具有多信道的單片收發(fā)芯片nRF905作為無線收發(fā)模塊、利用SPI口實(shí)現(xiàn)雙向通訊的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了MSP430在低功耗應(yīng)用方面的優(yōu)勢和nRF905無線特有的多頻道支持及功耗低、易控制等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于低功耗、小數(shù)據(jù)量的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。主控MCU使用TI公司MSP430系列中的F1491型，射頻收發(fā)模塊使用Nordic公司的nRF905實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)。除MSP430和nRF905外，系統(tǒng)還提供RS-232接口，可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的通訊，RS-485接口滿足一些通用儀器儀表的要求。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可選擇采用PCB天線或高增益的外置式天線以滿足遠(yuǎn)距離的需求。

2 系統(tǒng)主要芯片介紹
    MSP430是TI公司推出的16位系列單片機(jī)，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，正常工作時功耗可控制在200μA左右，低功耗模式時可實(shí)現(xiàn)2μA甚至0.1μA的低功耗。本系統(tǒng)所采用的MSP4301491系列在單個芯片上集成8通道12位的A/D轉(zhuǎn)換、2個16位定時器、2個USART接口、16位看門狗、48個GPIO 端口及2 048KB RAM和60KB的flash，單片即可滿足大多數(shù)應(yīng)用需要。其高效率精簡16 位指令結(jié)構(gòu)可以確保任何任務(wù)的快速執(zhí)行，大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成；它還具有高級語言編程能力，使軟件開發(fā)更為便利^[1]。
    射頻部分使用Nordic公司的多通道單片收發(fā)芯片nRF905^[2]。它采用GFSK 調(diào)制解調(diào)技術(shù)，工作電壓為1.9～3.6V，工作于433/868/915MHz 3個ISM頻道。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，具有低功耗的Shock Burst工作模式，可以自動完成前導(dǎo)碼和CRC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MCU通信，配置非常方便。作為射頻發(fā)射芯片，其低功耗性能是極為突出。以-10dBm的輸出功率發(fā)射時，電流只有11mA，在接收模式時電流為12.5mA。nRF905傳輸數(shù)據(jù)時為非實(shí)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)，外部的MCU可以在需要時再到芯片中去取。nRF905一次發(fā)射最多可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為32B。天線接口設(shè)計為差分天線，便于使用低成本的PCB天線^[3]。
3 點(diǎn)對點(diǎn)無線通信的實(shí)現(xiàn)
3.1 SPI接口
    nRF905利用SPI口實(shí)現(xiàn)與MCU的雙向通訊。nRF905的SPI總線包括4個引腳：CSN(SPI使能)、SCK(SPI時鐘)、MISO (主入從出)和MOSI(主出從入)。其中CSN可以接到一個GPIO端口控制芯片工作，而其他三個腳則連接到主控MCU的SPI接口上。主控MCU可以使用GPIO端口控制nRF905的3根控制線，控制低功耗的PWR_UP、正常工作的TX_EN、選擇發(fā)送還是接收方式的TRX_CE。nRF905有兩種節(jié)能模式和兩種工作模式，分別為掉電模式、待機(jī)模式、Shock Burst 接收模式和Shock Burst發(fā)送模式。這幾種模式由主控MCU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。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。
    MCU通過SPI總線配置nRF905的內(nèi)部寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)。這里nRF905為從機(jī)，其SPI的時鐘范圍很寬，可為1Hz～10MHz，因此MCU在寫控制程序時不必苛求時間的準(zhǔn)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，總線上的數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿有效。MCU對SPI總線進(jìn)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)線上輸出一個字節(jié)表示狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，隨后輸出一個地址字節(jié)，后面跟隨有效數(shù)據(jù)。在進(jìn)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。
3.2 數(shù)據(jù)收發(fā)過程
    在nRF905正常工作前，必須由MCU根據(jù)需要寫好配置寄存器。發(fā)送數(shù)據(jù)時，先通過MCU把nRF905置于待機(jī)模式(PWR_UP置為高、TRX_CE置為低)，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(yīng)的寄存器中，之后把nRF905置于發(fā)送模式(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全部置高)，配置成功后數(shù)據(jù)就會自動發(fā)送出去。若射頻配置寄存器中的自動重發(fā)位(AUTO_RETRAN)設(shè)為有效，數(shù)據(jù)包就會被重復(fù)發(fā)出，直到MCU拉低TRX_CE退出發(fā)送模式為止。nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖2所示。

    接收數(shù)據(jù)時，MCU 先在nRF905的待機(jī)狀態(tài)中寫好射頻配置寄存器中的接收地址，然后將nRF905置于接收模式(PWR_UP和TRX_CE置高、TX_EN置低)，nRF905就會自動接收空中的載波。當(dāng)收到有效數(shù)據(jù)(地址匹配且校驗正確)時，DR引腳會自動置高，MCU 在檢測到這個信號后，可以將nRF905置為待機(jī)模式，然后通過SPI總線從接收數(shù)據(jù)寄存器中讀出有效數(shù)據(jù)。nRF905接收數(shù)據(jù)的流程如圖3所示。

3.3 點(diǎn)對點(diǎn)傳輸距離
    傳輸距離主要由傳播損耗、工作頻率、外部損耗等因素決定。而傳播損耗是非常復(fù)雜的問題，涉及電波傳播機(jī)理、地形地物影響、載波工作頻段和天線指向等很多因素。這里給出自由空間傳播時的無線通信距離計算公式：
    20lgd[km]=Los[dB]-32.44-20lgf[MHz]                      (1)
    式中Los為傳播損耗，f為工作頻率，d為通信距離^[4]。nRF905的最大發(fā)射功率為10dBm，接收靈敏度為-100dBm，假定由大氣、阻擋物、多徑等造成的損耗為25dB，可以計算得出通信距離d=0.98km，這是理想狀況下的計算。實(shí)測結(jié)果表明，在采用高增益天線時，基本可以達(dá)到800米以上的傳輸距離；使用PCB天線時距離有所下降，但也可達(dá)到300米左右。

4 通信協(xié)議設(shè)計
4.1 MAC協(xié)議
    本系統(tǒng)采用了一個簡化的點(diǎn)對多點(diǎn)通訊協(xié)議，主要分為三層。第一層為物理層，由nRF905模塊硬件實(shí)現(xiàn)；第二層為數(shù)據(jù)鏈路層，提供可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸，每一個數(shù)據(jù)包都包括具體數(shù)據(jù)和一些必要的控制信息；第三層為應(yīng)用層，調(diào)用數(shù)據(jù)鏈接層完成具體的應(yīng)用邏輯，包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)查詢等。
    整個系統(tǒng)硬件可分為兩部分，分別定義為基站模塊和節(jié)點(diǎn)模塊。節(jié)點(diǎn)模塊應(yīng)用層的功能是使數(shù)據(jù)與無線通訊相結(jié)合。對于不同的應(yīng)用，可能有不同的數(shù)據(jù)采集方法。應(yīng)用層接收數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)來的命令，完成對數(shù)據(jù)的采集，并將數(shù)據(jù)打包發(fā)給數(shù)據(jù)鏈路層?；灸K的應(yīng)用層負(fù)責(zé)與中心控制器的鏈接。將中心控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)校驗處理后轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)據(jù)鏈路層，將數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)來的數(shù)據(jù)打包處理后發(fā)給中心控制器。因為協(xié)議是分層的，相鄰層之間的聯(lián)系只是調(diào)用發(fā)送接收函數(shù)，因此實(shí)現(xiàn)了各層的獨(dú)立，更換被采集的儀表或更換無線傳輸模塊所做的改動都不會影響其他層，從而提高了系統(tǒng)的靈活性。
    系統(tǒng)設(shè)定的數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀格式如表1。

    每個數(shù)據(jù)幀包括2B的幀頭、1B的幀類型、6B的本地地址和目的地址、1B的幀長度、NB的數(shù)據(jù)、16位CRC校驗和2B的幀尾。本系統(tǒng)針對較小數(shù)據(jù)量的應(yīng)用設(shè)計，每個數(shù)據(jù)包的有效數(shù)據(jù)長度N一般小于32B，每個節(jié)點(diǎn)每一次需要傳送的數(shù)據(jù)都可以通過一個數(shù)據(jù)包發(fā)送完成。數(shù)據(jù)幀的類型包括采集命令、正確接收確認(rèn)、重發(fā)請求、異常信號等，用兩個字節(jié)來標(biāo)示以便接收方分類處理。在N個字節(jié)的數(shù)據(jù)之后是16位CRC校驗。接收方同樣計算CRC后與校驗和比較，如果CRC正確，則發(fā)送正確接收確認(rèn)(ACK)。如果CRC不同，即為傳輸中出現(xiàn)錯誤，則給出出錯反饋要求發(fā)送方重新發(fā)送數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的通信流程基本可概述為DATA+ACK形式，即發(fā)送完DATA 等待ACK，接收到DATA 則發(fā)送ACK確認(rèn)。
    由于射頻芯片的高靈敏度，即使在沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時，其數(shù)據(jù)輸出腳也會有雜波輸出，這些雜波會被MCU的串口接收并處理。同時處于低功耗的考慮，在每個數(shù)據(jù)幀之前要先發(fā)幾個字節(jié)的同步碼以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步和射頻喚醒。實(shí)踐證明四個字節(jié)的0xCC 就可以確保在有效數(shù)據(jù)幀到達(dá)前雙方通訊實(shí)現(xiàn)同步。為了準(zhǔn)確區(qū)分噪聲與有效數(shù)據(jù)，分別加入了2B的幀頭(0xD792)和幀尾(0xC2D5)，以確保有效數(shù)據(jù)的確認(rèn)。
4.2 跳頻機(jī)制
    為避免信道阻塞，系統(tǒng)采用了二進(jìn)制指數(shù)退避算法[5]隨機(jī)延時一段時間再發(fā)送數(shù)據(jù)，有效地避免了同頻道下的數(shù)據(jù)沖突。除此之外，系統(tǒng)還設(shè)計了跳頻機(jī)制以有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。
    跳頻機(jī)制的基本原理是將頻段分為一系列的通道，發(fā)送端查找預(yù)先設(shè)定的頻率列表，以偽隨機(jī)方式產(chǎn)生通信頻道及發(fā)射前導(dǎo)碼，發(fā)射前導(dǎo)碼的時間應(yīng)確保接收機(jī)可以掃描所有的通道[6]。接收端以一定的跳頻序列掃描，在某一通道上，接收端收到完整的前導(dǎo)碼則收發(fā)雙方頻率同步。一旦完成頻率捕獲，發(fā)送端與接收端即可識別對方，并且相互通信。發(fā)送端和接收端的跳頻過程示意圖分別如圖4(a)和圖4(b)所示。

    本系統(tǒng)設(shè)定了5個隨機(jī)頻道，當(dāng)跳頻次數(shù)hop大于5后認(rèn)為通信失敗。由于同時采用了重發(fā)和退讓機(jī)制，收發(fā)雙方并不需要同時跳入隨機(jī)頻道，系統(tǒng)具有一定的容錯性。通常一定時間內(nèi)干擾只在某個頻段存在，只要將5個通信頻道拉開一段頻距，即可有效抵制干擾。
5 系統(tǒng)的低功耗設(shè)計
    系統(tǒng)中MSP430完成初始化后，處于低功耗工作模式，在有外部事件發(fā)生時喚醒進(jìn)入中斷服務(wù)程序，完成后重新進(jìn)入低功耗模式。如此循環(huán)往復(fù)，可以最大限度地降低功耗。所以系統(tǒng)低功耗設(shè)計的重點(diǎn)是射頻芯片nRF905的控制。nRF905在接收狀態(tài)時功耗比較大，工作電流為10mA左右，所以應(yīng)盡量使nRF905 處于休眠狀態(tài)。對于下層節(jié)點(diǎn)模塊，當(dāng)上層基站模塊需要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時，首先發(fā)送喚醒碼。本系統(tǒng)使用0xCC作為喚醒碼，即主機(jī)連續(xù)發(fā)送0xCC，從機(jī)收到連續(xù)兩個0xCC后即保持接收狀態(tài)而不進(jìn)入休眠。如果兩個周期內(nèi)沒有收到有效數(shù)據(jù)幀的幀頭，則視為雜波干擾，重新進(jìn)入休眠狀態(tài)。如此設(shè)定之后，nRF905的平均工作電流可降至200?滋A以下，整個模塊的平均工作電流在250?滋A以下，采用兩節(jié)電池供電可以使用一年以上。上層基站模塊作為主機(jī)，可主動發(fā)起通信，所以等待時nRF905可一直工作在休眠狀態(tài)，整個模塊的平均工作電流在100μA以下，采用兩節(jié)電池供電可以使用一年半以上。
    本文利用低功耗單片機(jī)MSP430和nRF905芯片設(shè)計了一種成本低、低功耗、抗干擾性強(qiáng)的遠(yuǎn)距離無線傳輸系統(tǒng)，給出了具體的硬件實(shí)現(xiàn)和獨(dú)特的通信協(xié)議。nRF905的高靈敏度為其提供了穩(wěn)定的傳輸距離，即使利用無增益的PCB天線其傳輸距離也可達(dá)300米，采用高增益的天線則可達(dá)到800米以上，可滿足不同客戶的需求。如果系統(tǒng)配以其他傳感器組則可以實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用環(huán)境的無線數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理或遠(yuǎn)程監(jiān)控等，在很多領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。
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