利用NR芯片设计室内无线通信系统.doc
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1、Abstract摘 要当今社会,科技是第一生产力,而无线传输作为现代一种重要的通信方式,为人们的生产生活提供了很多便利。粮仓由于空间大,温度变化敏感,人无法实时地进入采集数据,需要将温度等数据进行无线传输。粮仓温度采集系统分为温度采集装置和接收机两个部分,其中接收机由无线射频NRF24E1芯片,74LS139 2-4译码器和数码管所组成,本文将重点描述接收机对温度信号的无线接收,数据处理和数据显示的原理和应用。关键字:无线射频; NRF24E1; 25AA320; 74LS139; LED数码管显示。ABSTRACTNowadays, science and technology are th
2、e primary productive forces, and the wireless transmission, as an important means of communication, provides people much convenience both in the working fields and in their daily life.people can not have real-time access to the data collection in the Granary, which has a large space and is very sens
3、itive to the changes in temperature, so we need to use wireless transmission to transmit the data of temperature. The Granary temperature collection system is composed of a temperature acquisition device and a radio frequency receiver, which is made of the radio frequency NRF24E1 chip, 74LS139 2-4 d
4、ecoder and LED digital control. This paper will focus on the radio frequency receiver of the receiving, processing and displaying the data of temperature.Key Words: Radio Frequency, NRF24E1, 25AA320, 74ls139, Digital display.47目 录目 录第1章引言11.1 选题背景11.2 研究目标和意义11.3 研究思路1第2章无线通信基本原理22.1 无线通信概述22.2 无线通信
5、系统定义22.3 电磁波传输机制3第3章系统硬件设计43.1 系统工作原理和流程43.2 NRF24E1的特性43.2.1 NRF24E1的总体介绍43.2.2 NRF24E1各模块特性53.2.3 NRF24E1的引脚及功能73.3 74LS139的特性83.3.1 译码器功能及原理83.3.2 双2-4译码器74LS139功能介绍93.4 EEPROM 25320的功能及特性113.5 七段数码管扫描原理12第4章系统软件设计144.1 系统软件流程144.2 NRF24E1收发系统工作方式及配置144.3 NRF24E1芯片时序164.4 各模块程序设计218第5章系统调试和结果分析22
6、5.1 系统调试步骤225.2 调试中出现的问题255.3 最终测试结果与实物照片27结束语30参考文献31致谢32附录33附录一:NRF24E1特殊功能寄存器分布图33附录二:NRF24E1配置字表示34附录三:系统硬件设计35附录四:系统软件设计37外文资料原文42翻译文稿46 第1章 引言第1章 引言1.1 选题背景在现今我们的科技生产和学习生活中,无线传输正开始发挥着越来越重要的作用,市场上也出现了许多以短距离无线传输为卖点的的电子产品,例如蓝牙芯片以及各类射频芯片。本课题主要研究在粮仓中的无限温度采集、传输、数据处理和显示。该系统可以对粮仓的温度进行实时监控,以确保粮食的质量。1.2
7、 研究目标和意义粮仓内的温度变化十分敏感,但由于它空间很大,人无法经常地出入,这使得温度采集变得困难,也就无法实时地监控粮食的质量。本课题所研究的目标就是精确的无线温度采集和传输,并将所采集的温度在粮仓外的LED数码管上显示出来。1.3 研究思路NRF24E1芯片能够进行无线射频信号接收与发送,具有许多优点,它集成了增强型8051,指令周期从标准的1248个时钟周期缩短到420个时钟周期,XRAM数据存取采用双指针,从而提高了CPU 的处理和运算速度。芯片工作频率为2.4GHZ,发射的波长较短,因此天线尺寸很小,可以实现天线内置,成本低。该芯片体积小,外围器件少,非常易于设计,且有着非常合理的
8、通信协议,有利于软件的编写和控制。本系统采用通用的2.4GHz ISM频段,由于系统的输出功率仅为1mW,并且对外辐射较小,因此无需申请频率许可证。本课题的研究思路是:在节点机进行温度采集后,通过NRF24E1芯片将信号无线传输到主机,主机接收温度信号后进行数据处理,并最终将温度数据在LED数码管上显示出来。第2章 无线通信基本原理第2章 无线通信基本原理2.1 无线通信概述当今世界正处于电信革命时期,人们都在热切地盼望使用新的无线通信方法和途径。在过去的十年里,无线移动通信在数字和射频电路制造技术方面取得了很大的进步,而新的大规模集成电路也令各种无线通信设备变得更小、更便宜、更可靠。另外,数
9、字交换技术也推动了无线通信网络的大规模发展。2.2 无线通信系统定义(1)数据源数据源可能是各种各样的东西,可能是一个温度传感器的A/D数据值,计算机硬盘里的一个文件,用户输入键盘里的一个按键等。数据在这里发生错误的可能性较小,而且可以轻易通过硬件或软件的方式实现。(2)无线通信信道3无线通信信道是数据从发射到接收的一个通道,它包括产生出数据流、编码、发射、接收、解码、理解。信道有广义和狭义之分。无线信道包括地波传播,短波电离层反射,超短波或微波视距中继,人造卫星中继,散射及移动无线电信道等。无线通信效果的好坏在很大程度上将取决于无线信道的特性。(3)传播路径 传播路径是无线电波从发射到接收的
10、路径。数据错误有可能在这个阶段发生,因为频带内的干扰或传播路径中RF源降低了灵敏度,而且多径和衰减也有可能引起接收机接收错误的数据。(4)数据编码与解码由于信道的不稳定性,在发射机采用数据源编码可以提高信噪比,使得传输信号的误码率更低,并提高传输速率。相应的,在接收机接收数据时应对数据包进行解码,在数据编码与解码的过程中基本不会发生错误。(5)数据传输的协议 所谓的协议就是指一些规则。通信时,数据可能在发射端和接收端之间受到外界的干扰而发生错误,因此需要协议来保证接收端能正确接收到从发射端传来的数据,并确定所接收的数据是否为实际数据。2.3 电磁波传输机制电磁波传播的机制是多种多样的,但总体上
11、可归结为三种:发射,绕射和散射。(1)反射当电磁波遇到比自身波长大的多的物体时会发生反射,反射发生于地球表面,建筑物和墙壁表面等。电磁波在不同性质的介质交界处,会有一部分发生反射,一部分通过。如果平面波入射到理想电介质的表面,则一部分能量进入第二个介质中,一部分能量反射回第一介质,没有能量损耗。如果第二介质为理想反射体,则所有的入射能量被反射回第一介质,无能量损耗。反射波和传输波的电场强度取决于费涅尔(Fresnel)反射系数。反射系数为材料的函数,并于极性、入射角和频率有关。(2)绕射当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。由阻挡表面产生的二次波散布于空间,甚至于阻挡体的背
12、面。当发射机和接收机之间不存在视距路径,围绕阻挡体也产生波的弯曲。在高频波段,绕射与反射一样,依赖于物体的形状,以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况。(3)散射当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时,发生散射。散射波产生于粗糙表面,小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中,树叶、街道标志和灯柱等会引发散射。第3章系统硬件设计第3章 系统硬件设计3.1 系统工作原理和流程本系统主要由无线模块nRF24E1、具有SPI接口的存储器EEPROM、LED数码管和74ls139译码器组成。在数据采集系统中,nRF24E1无线模块上电后读取SPI存储器中的程序,通过nR
13、F24E1芯片中的无线收发模块实现对节点机所发射温度信号的无线接收,然后对接收数据进行处理,将处理结果在数码管上显示,以适应动态变化要求。本系统接收机的模式图如下:NRF24E174LS139四位数码管25320位段图3-1 无线温度采集系统模式3.2 NRF24E1的特性3.2.1 NRF24E1的总体介绍NRF24E1主要由一个2.4 GHz无线电收发器NRF2401,一个嵌入式8051兼容的微控制器和一个9路100Kslps/s的10bit模数转换器组成。芯片的内部还集成了UART异步串口、SPI接口、PWM输出、RC振荡器、看门狗和唤醒定时器。芯片电路可以在范围为1.9V到3.6 V的
14、电压下工作 。它可工作于2.4GHz的国际通用ISM频段而无需申请无线应用许可证,从而大大方便了开发者和用户。由于此芯片体积小、功耗低,所以非常适用于对体积和功耗要求较高的应用场合。NRF24E1可广泛应用于计算机外设、无线耳机、玩具、游戏手柄、汽车电子、医疗器械、遥控和工业传感器等方面。NRF24E1的模块及外围设备框图如下图所示:图3-2 NRF24E1模块及外围设备原理图NRF24E1芯片的最高工作速率为1Mbps,由于它采用高效GFSK调制,抗干扰能力强,满足多点通信和跳频通信的需要,所以特别适合应用在工业控制场合。 内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制。芯片内置有2.4GHZ天
15、线,体积约为34mm X 17mm。可以在1.9 - 3.6V的电压下工作,功耗低。NRF24E1芯片模块支持软件设置地址,只有收到本机地址时才会提供中断提示,软件编程方便,课兼容各种单片机。芯片内置稳压电路,使用各种电源包括DC/DC开关电源均有很好的通信效果。3.2.2 NRF24E1各模块特性(1)微控制器NRF24E1微控制器指令系统与工业标准的8051微控制器是兼容的。但它的指令周期和工业标准8051的指令周期梢有不同。标准8051的指令周期是12-48个时钟周期,而NRF24E1一般的指令周期是4-20个时钟周期。芯片中断控制器扩展了5个中断源,分别是ADC、SPI、RF接收器1、
16、 R接收器2和唤醒定时器,也有和8052兼容的3个定时/计数中断,在51核内增加了一些扩展,可以由定时器1或定时器2产生波特率的异步通信UART,而且是和8051兼容的。它的CPU对8051进行了扩展,具有两个数据指针,可以使XRAM数据域进行更加快捷的数据搬移。由晶体震荡器提供微控制器的时钟源。(2)存储配置微控制器具有一个256字节的数据存储器RAM(8052兼容,上半部分可以寄存器间接寻址)和一个512字节的程序存储器ROM。在ROM中具有一个上电复位或由用户在运行后软件复位后会自动加载的系统引导程序,它可以将存储在外部串行EEPROM中的用户程序加载到4K字节的RAM中。该4K字节的R
17、AM也可能(部分地)用于存储数据。(3)引导程序存储器EEPROM/FLASH如果程序存储器ROM未被选用,设备的程序代码必须由外部的非易失性存储器加载进来。默认的引导设备推荐使用具有SPI接口的“25320”EEPROM,在很多厂家都可以买到,而且它的电压供应可低至1.8V。它的SPI接口和8051P1.2/DIN0(E2PROM SDO),P1.0/DIO0 (EEPROM SCK),P1.1/DIO1 (EEPROM SDI),P0.0/DIO2 (EEPROM CSN)相连。当引导程序将存储器中的程序代码加载入MCU后,管脚P1.2/DIN0(E2PROM SDO),P1.0/DIO0
18、(EEP ROM SCK)和P1.1/DIO1 (EEPROM SDI)将作为SPI接口或通用I/O口来使用。(4)SPI接口SPI缓冲器起着一个重要的作用。它的三根总线(SDI,SCK,SDO)是多元复用的,可以作为通用的I/O口(P1.2/DIN0,P1.0/DIO0,P1.1/DIO1)和射频无线收发机。SPI硬件不产生任何片选信号,程序员通常使用通用I/O口的P0口作为一个或多个外部SPI设备片选信号。当SPI连接射频无线收发机时,内部通用I/O会产生片选信号。(5)管脚逻辑NRF24E1具有一个通用输入引脚和十个输入输出双向引脚,为P0(DIO2DIO9)和P1(DIO0、DIO1、
19、DIN0),默认配置为GPIO(通用输入输出端口)。大部分的GPIO引脚可用于程序复用。这些复用功能包括两个外部中断、UART RXD和TXD脚发送、SPI端口、三个定时器和PWM输出。(6)电源管理在程序的控制下,NRF24E1可以被设置为低耗能的掉电模式,也可以控制模数转换ADC和射频无线收发子系统的开或关,此时,CPU停止工作,但所有的RAM和寄存器仍在工作。低耗能的晶体震荡器,看门狗和RTC唤醒定时器(如果已经被软件使能)也在工作。在这种模式下工作时,电流消耗只有2uA。此时,可通过外部中断0,外部中断1或唤醒定时中断恢复正常运行模式。(7)RTC唤醒定时器,看门狗和RC震荡器NRF2
20、4E1有一个不能关闭的低耗能RC震荡器,它将一直运行直到VDD1.8V。RTC唤醒定时器和看门狗都是16位的可编程定时器。由RC震荡器提供它们时钟。RTC唤醒定时器和看门狗可由软件定时,大约30080ms,默认值是10ms。RTC唤醒定时器可由软件来控制开启或关闭。看门狗在系统复位后才能被关闭,一旦被开启就无法关闭,除非再一次复位。(8)无线收发机NRF24E1的无线收发电路部分和NRF2401的该部分具有一样的功能,它通过内部的并行端口或内部的SPI接口工作。对于每一个双向收发机,通过软件设计它的数据准备信号,并将之作为中断去通知微控制器的CPU或通过一个通用I/O端口。3.2.3 NRF2
21、4E1的引脚及功能NRF24E1芯片共有36个引脚,其中有11个数字I/O口、9个模拟输入引脚、2个天线接口引脚ANT1和ANT2以及两个晶振引脚XC1与XC2,另外还有其它引脚12个。它的引脚如下图所示:图3-3 NRF24E1引脚图P0口各个引脚的复用功能如表3-1所示。表3-1 NRF24E1芯片P0口引脚功能引脚P0.7(DI09)P0.6P0.5P0.4复用功能PWMT1T0INT1引脚P0.3P0.2P0.1P0.0(DI02)复用功能INT0TXDRXDGPI0P1口有3个引脚,可设为SPI接口或GPIO,当NRF24E1使用SPI时,只能作为SPI主机。3.3 74LS139的
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