基于PIC16F726和nRF24L01的短距離無線傳輸系統設計

張肖漢，陳 以，李明偉

（桂林電子科技大學 電子工程與自動化學院，廣西 桂林 541004）

21世紀，短距離無線通信技術備受矚目。短距離無線傳輸具有抗干擾能力強、可靠性高、安全性好、受地理條件限制少、安裝靈活等優點[1]，在電子通信、家電、民用與軍工領域均擁有廣闊的市場。特別是戶外應用場合，不宜采用有線數據傳輸方式，無線通信則以無可比擬的優勢占據先機。本文依據商業市場發展需求，研究和設計了一種基于PIC單片機和無線射頻收發芯片實現的小成本、低功耗、對等通信且協議簡單的短距離無線傳輸系統。

1 系統設計

由于短距離無線傳輸對環境、安全性有較高的應用要求，所以根據實際需求采用RF無線射頻收發一體芯片技術。相對于目前主流的IEEE802.11x無線局域網技術、藍牙技術等短距離無線通信技術，此技術具有通信距離遠、功耗低、抗干擾能力更強、自主開發程度高、開發成本低、技術更成熟、通信協議可自行定義、靈活度極高等優點[2]。結合系統的現實需要，選用了由Nordic公司研制的nRF24L01無線射頻收發芯片負責無線數據傳輸。

1.1 設計思路

系統設計主要以單片機為核心，控制無線通信模塊進行發射與接收，實現短距離無線傳輸系統的雙向對等通信。整個系統的功能模塊示意框圖如圖1所示。

圖1 短距離無線傳輸系統的功能示意框圖

系統采用模塊化設計思想，發射機端與接收機端均由PIC單片機和nRF24L01芯片組成。工作原理是：發射機端的PIC單片機在實時采集數據的同時，根據控制平臺的控制指令完成無線數據信號的發射，接收機端的PIC單片機完成無線信道與嵌入式平臺之間的數據交換功能，嵌入式應用平臺則是在接收到發射機信號的同時，通過接收機向發射機返回接收指令。這種工作方式能增加系統的穩定性，實現短距離控制平臺對嵌入式平臺應用環境的無線控制。本設計主要針對如何實現PIC單片機與嵌入式應用平臺之間的無線數據傳輸。

1.2 硬件設計

主要針對短距離無線傳輸系統的nRF24L01無線射頻收發模塊和PIC單片機控制器模塊的接口進行設計。

1.2.1 nRF24L01無線射頻收發模塊

nRF24L01是工作在2.4 GHz世界通用ISM頻段免使用費的單片無線收發一體芯片，將射頻發射接收、GFSK調制解調、增強型ShockBurst機制、125頻道、CRC校驗、穩壓電路、SPI接口等集成到單芯片中[3]。nRF24L01相比其他公司研制的常用無線收發芯片 （例如 Chipcon 的 CC400，RFMD 的 RF2915，Bluechip 的BCC48等），它可以直接接單片機串口使用，數據無需曼徹斯特編碼，可直接傳輸串口數據，效率高，發射電流消耗僅 9.0 mA，數據傳輸速率可達 1或 2 Mb/s，收發天線合一。因此，在目前較為流行的無線通信芯片中，無論是從使用的方便性、傳輸速度還是輸出功率等各個方面考慮，nRF24L01都是一種比較理想的選擇，其接口電路如圖2所示。

nRF24L01是通過SPI接口與外部控制器交換數據，如果外部控制器沒有SPI接口，可以用I/O控制口模擬。ANT1和ANT2輸出腳是給天線提供穩定的RF輸出。在輸出功率最大時（0 dBm），推薦使用負載阻抗15 Ω+j88 Ω，這樣，通過簡單的網絡匹配可以獲得較低的阻抗。XC1和XC2接入16 MHz晶振，為了實現晶體振蕩器低功耗和快速啟動的目的，建議使用容值較小的電容，考慮成本因素通常用7.0 pF的電容。

圖2 nRF24L01接口電路圖

1.2.2 PIC單片機外圍接口電路設計

系統選用了自帶SPI接口的PIC16F726單片機，便于與nRF24L0l進行連接。PIC16F726作為數據采集的控制器，它是Microchip公司專門針對中國市場最新推出的低成本、8 bit閃存單片機，具有高性能的RISC CPU，內含高精度內部振蕩器，低功耗、節能休眠模式，支持1.8～5.5 V的寬工作電壓范圍，25個 I/O控制口，11路AD通道，帶有 2個 8 bit定時器（Time0、Time2）和 1個16 bit定時器增強型Time1[4]。PIC單片機主要完成數據的處理，向nRF24L01模塊發送數據并且接收對應的接收機傳送過來的數據。nRF24L01模塊主要是將發射機端單片機的待傳數據通過射頻信號發送到接收機端的nRF24L01模塊，并能接收接收機端傳送過來的射頻信號，實現雙向通信。PIC單片機的外圍接口電路如圖3所示。

圖3 PIC單片機外圍接口電路原理圖

PIC16F726通過 SPI接口控制 nRF24L01。nRF24L01的SCK引腳與單片機的RC0引腳相連，即Timer1的時鐘作為SPI時鐘；nRF24L01的MOSI引腳與單片機的RC1引腳連接，nRF24L01的MISO引腳與單片機的RC2引腳連接，實現串行數據傳輸；nRF24L01的IRQ與單片機的RB0相連，作為中斷控制；nRF24L01的CSN引腳與RA4連接，即Timer0的時鐘作為SPI的片選信號；nRF24L01的CE引腳與單片機的RA3相連，無線通信模塊的工作模式由PWR-UP、PRIM-RX寄存器和CE決定（在后文的軟件實現部分中再做詳細描述）。

PIC16F726單片機采用 5 V（VCC）電源供電，內含復位電路，16 MHz的晶振，它決定了單片機的串口傳輸速率。SPBRG寄存器決定自由運行的波特率定時器的周期，異步模式下，波特率周期的倍頻值由TXSTA寄存器的 BRGH位決定，使用高波特率（BRGH=1）有助于降低波特率誤差。在系統中，由軟件設置SPBRG寄存器的值為 16，SYNC=0且 BRGH=1，則無線模塊和單片機的通信速率為 57 600 b/s，與實際波特率 Fosc/[16（n+1）]的值58 800 b/s僅有2.12%的誤差。單片機與上位機之間采用RS-232標準接口，系統采用單電源電平轉換芯片MAX232連接單片機和控制中心。MAX232芯片是美信（MAXIM）公司專為 EIA/TIA-232E以及 V.28/V.24通信接口設計，內部有兩個電荷泵，將5 V轉換為+10 V，為RS-232驅動器提供工作電壓，所以，系統只需要單一的5 V電源即可[5]。系統采用24LC01B型號EEPROM（電可擦可編程只讀存儲器）滿足系統即插即用、多次修改參數的要求。24LC01B采用I2C接口方式，輸入電壓范圍為2.5～5.5 V，系統采用3.3 V電壓輸入，400 kHz高頻時鐘，頁寫數據只需2 ms，具有千萬次擦寫的壽命周期并能夠保留數據超過200年[6]。

2 軟件設計

軟件設計采用Microchip的MPLAB IDE作為本系統的編程開發工具。正確的設置工作模式對于使用無線射頻收發芯片至關重要，對于nRF24L01而言，它的工作模式設置主要包括發送、接收、待機和掉電四個狀態，這是由PWR-UP、PRIM-RX、CE三個引腳共同決定。具體配置如表1所示。

表1 nRF24L01工作模式配置

短距離無線傳輸系統軟件設計主要包括發送數據和接收數據兩個部分。在提高系統性能和保證通信效率的前提下，依據發送數據和接收數據的特性，采用查詢和中斷兩種模式來分別完成數據的發送與接收。系統的發送與接收程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統發送與接收程序流程圖

3 系統測試

將系統發射機和接收機端分別通過RS232與PC機連接，通過串口調試助手進行模擬測試。經過多組測試，無誤碼情況，可實現兩者之間的可靠通信。系統測試如圖5所示。系統使用串口3進行發射機數據傳輸模擬，使用串口4對接收機進行模擬。兩串口進行通信，其波特率、校驗位、數據位與停止位需相互匹配，均定為57 600波特率、無校驗位、8位數據位與1位停止位。通過串口對采集的數據“test dates：12 24 37……”等進行傳輸，從圖5測試的結果可以看出，系統實現了兩者之間的無線雙向通信。

圖5 系統測試

結合高效、節能的政策，本文利用IT相關技術，系統達到了設計的任務要求，實現了短距離雙向無線傳輸功能，可應用于各種嵌入式平臺。本設計采用的是低價格、低功耗且易于開發的PIC16F726和nRF24L01芯片進行設計，通用性強，具有廣泛的市場基礎與較高的推廣價值。

[1]戴佳，戴衛恒.51單片機C語言應用程序設計實例精講[M].北京：電子工業出版社，2006.

[2]宋海波.基于RF無線射頻芯片的通信技術在分布式網絡傳感器中的應用[D].吉林：吉林大學，2006.

[3]Nordic.nRF24L01 Product Specification[Z].Nordic Corporation，2004.

[4]PIC16F72X/PIC16LF72X數據手冊[Z].Microchip Technology Inc.2009.

[5]MAX232 中文資料[Z].[2012-06-01]http：//wenku.baidu.com/view/65bf19a1284ac850ad02427d.html.

[6]24LC01B DateSheet[Z].[2012-06-01]http：//wenku.baidu.com/view/7228502ded630b1c59eeb5c1.html.