基于nRF24L01無線雙向通信系統設計

丁媛媛

(煙臺職業學院，山東 煙臺 264670)

1 無線傳輸模塊基本工作原理［1］

利用無線傳輸模塊進行無線通信傳輸，通過單片機控制無線傳輸模塊A進行發送無線信號，然后用單片機控制無線傳輸模塊B接收無線傳輸模塊A所發出的無線信號，從而實現一對一的無線信號傳輸，如圖1所示。反方向傳輸也是如此，無線傳輸模塊B發出信號，無線傳輸模塊A接收傳輸信號。

2 硬件電路設計

系統硬件部分主要由單片機ATS89S51控制電路、nRF24L01收發模塊、穩壓電路、顯示電路、電平轉換電路組成，以下重點介紹無線收發芯片等重點控制部分的電路原理。

2.1 無線模塊與主控模塊

無線傳輸模塊采用nRF24L01芯片［2］，該芯片是單片射頻收發芯片，工作于2.4～2.5 GHz－ISM頻段，芯片內置晶體振蕩器、功率放大器、頻率合成器以及調制器等功能模塊，輸出功率與通信頻道能夠通過程序進行配備。芯片能耗非常低，如果按照－5 dBm的功率發射，工作電流只有10.5 mA，接收時工作電流18 mA，具有多種低功率的工作模式，節能設計更加方便。其DuoCeiv－erTM 技術［3］能夠使nRF24L01使用同一天線來同時接收兩個不同頻道的數據。nRF24L01適用于多種無線通信的場合，如無線數據傳輸系統、無線鼠標、遙控開鎖、遙控玩具等，應用范圍非常廣。

nRF24L01工作原理圖如圖2所示。

圖2 nRF24L01工作原理圖

主控制電路主要由AT89S51單片機芯片［4］、復位電路及外設晶振電路組成。具體電路圖如圖3所示，該單片機的 P1.4，P1.5，P1.6，P1.7 口接無線收發模塊的1、2、3、4引腳，通過 SPI方式進行通信，P1.5，P1.6引腳分別收發圖2中的數據。圖3中J3作為串口及外部擴展使用，J4與無線收發模塊連通，J5，J6為外部擴展接口，接LED顯示燈與按鍵。

圖3 主控制芯片工作原理圖

2.2 AMS1117電壓源原理圖

接口電路輸出電流經過二極管整流、濾波后，三端穩壓器件7805實現降壓，由12 V降至5 V給單片機供電，5 V電壓經過再次濾波，從AMS1117的輸入端輸入，經過AMS1117正向低壓穩壓器再次降壓，獲得穩定的3 V電壓，作為無線發送與接收模塊的供電電源，具體電路如圖4所示。

2.3 模塊PCB板

PCB板的設計主要是板圖設計，采用電路板的主要優點是大大減少布線和裝配的差錯，提高了自動化水平和生產勞動率。

畫該電路的PCB板應注意以下幾點［5］:

1)在整個PCB板的布線中，電源、地線盡管布置得非常好，但是仍有可能會干擾無線發送信號，降低發送信號的性能，甚至影響發送信號的成功率。因此對電源線、地線的布線一定要認真設計，把電源線、地線所產生的干擾降到最低，以保證無線發送信號的質量。

圖4 AMS1117電壓源原理圖

2)模數電路的共地處理:現在大部分PCB電路板設計完以后已經不再是單純的數字電路或者模擬電路，往往是由二者混合設計而成。故在布線時對于信號干擾問題就需要特別考慮，尤其要針對噪音干擾進行處理。一般電路板以雙面板居多，地線布置非常講究，通常采用單點接地方法，電源和地由電源兩端接到PCB板上，電源共1個接點，地共1個接點。PCB板上需具備多個返回地線，最后全部聚回電源的接點上，稱之為單點接地。而且模擬地、數字地、大功率器件地都要開分，這被稱為布線分開，最后也都聚回到這個地。與PCB板以外的信號連接時，一般利用屏蔽電纜進行隔離。

3)對連接引腳的處理需要進行綜合考慮，尤其是在大面積的PCB板制作中，連接引腳的處理在大面積的接地中應用較廣泛，常用元器件的引腳與之連接。從電氣性能方面來講，元件引腳的焊盤最好與銅面滿接，但在元器件焊接裝配時存在不利因素，如焊接時容易形成虛焊。因此，為了綜合考慮電氣性能和工藝要求，通常將焊盤設計成十字花焊盤，這種焊盤在焊接時因截面過分散熱可大大減少虛焊點。多層板的接電(地)層引腳的處理也是一樣。

4)設計規則檢查(DRC):電路板布線設計完成以后，在protel軟件中點擊設計規則檢查命令，對電路進行檢查，查看布線的設計是否符合規則，確認所制訂的規則是否與電路板生產工藝相吻合，通常需要檢查線與線之間、線與元件焊盤之間、貫通孔與貫通孔之間、元件焊盤與貫通孔之間、連接線與貫通孔之間的距離設計是否達到設計要求，是否與生產工藝的需求相吻合，同時還需檢查電源線、地線的寬度是否合適，一般電源線和地線的寬度比信號線要寬。

3 軟件設計

3.1 實現過程

圖5為nRF24L01發送部分主程序流程圖。

圖5 nRF24L01發送部分主程序流程圖

在nRF24L01無線發送部分主程序中，首先進行初始化操作，通過配置模式對nRF24L01進行設置，主要包括發送的數據寬度、地址寬度、發送數據的地址以及CRC技術和常用配置等。常用配置［6］包括使能第一頻道設置、通信方式設置、發送數據速率設置、晶振頻率設置、發送輸出功率設置、頻道設置和收發模式設置等。待初始化完成后，將nRF24L01設置為發送模式，進行發送數據。然后查看狀態寄存器TX_DS是否為1，如果TX_DS為1則表示nRF24L01發送成功，并且數碼管可以顯示發送的數據;如果TX_DS不為1則代表nRF24L01發送不成功，程序返回重新發送。

nRF24L01無線接收部分主程序流程圖如圖6所示。

圖6 nRF24L01無線接收部分主程序流程圖

在nRF24L01無線接收部分主程序中，首先進行初始化操作，將nRF24L01設置為接收模式，并通過配置模式對nRF24L01進行設置，主要包括接收的數據寬度、地址寬度、接收數據的地址以及CRC技術和常用配置等。常用配置包括與無線發送部分的配置基本相同。待初始化完成后，延時等待數據包的到來。查看狀態寄存器RX_DR是否為1，如果RX_DR為1，則表示接收到數據，然后查看接收到的第一個數據是否正確，如果正確，則讓數碼管顯示接收的數據;如果RX_DR不為1，則表示沒有接受到數據，然后返回繼續等待接收數據。

3.2 nRF24L01的一對一程序設計

無線傳輸模塊nRF24L01的一對一發射程序如下:

無線傳輸模塊nRF24L01的一對一接收程序如下:

4 結語

該設計在充分掌握無線傳輸模塊nRF24L01和AT89S51的工作原理的基礎上，通過加入其他外圍電路，如恒壓電源電路，晶振電路，復位電路，電平轉換電路，顯示電路等，共同工作實現了一對一的無線雙向通信。

該系統具有設計簡單，成本低，穩定性好等優點，可應用到各類無線傳輸的工程領域中，如無線數據傳輸系統、無線鼠標、遙控開鎖等，具有一定實用價值。

［1］何講明.基于nRF24L01的無線通信系統設計［J］.科技創新與生產力，2011，7(10):23 －25.

［2］張天祥.基于MCU和nRF24L01的無線通信系統設計［J］.電子科技，2012，4(1):34 －35.

［3］白春雨.基于nRF24L01的2.4 GHz無線通信系統設計［J］.無線電通信技術，2011，3(4):45 －46.

［4］蔣俊峰.無線收發芯片比較與選擇［J］.今日電子，2003(9):56－57.

［5］劉建平.單片2.4 GHz無線收發一體芯片nRF24L01及其應用［J］.國外電子元器件，2004，6(12):36 －38.