采用nRF24L01和MSP430單片機的射頻傳輸模塊設(shè)計

引言

在裝備保障中需要對裝備壽命有清楚的了解，就需要對裝備各配套設(shè)備進(jìn)行定期檢查，傳統(tǒng)的人工巡檢和記錄信息的方法存在遺漏檢查信息、不及時、數(shù)據(jù)登記復(fù)雜易錯及后處理繁瑣等問題[1]。射頻識別(Radio Frequency Identifcation，RFID)技術(shù)是一種先進(jìn)的非接觸式自動識別技術(shù)，它利用射頻信號與空間耦合及傳輸特性來進(jìn)行雙向通信，實現(xiàn)對物體自動識別與信息采集[2]。

針對某型戰(zhàn)車隨裝武器系統(tǒng)復(fù)雜、配備較多，傳統(tǒng)記錄方式難以有效詳實地反映各部件壽命狀況的現(xiàn)狀，本文利用RFID技術(shù)構(gòu)建新型監(jiān)測系統(tǒng)，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的巡檢方法。

系統(tǒng)需求與結(jié)構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)主要記錄戰(zhàn)車及配套裝備的動用信息，被測量信號主要是開關(guān)信號，分為以下兩類：

(1)工作狀態(tài)控制信號。工作狀態(tài)控制信號來自狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制臺，是操作員控制戰(zhàn)車工作狀態(tài)的3路開關(guān)量。

操作員通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換控制臺上的狀態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)可設(shè)置戰(zhàn)車的3種工作狀態(tài)，車輛放置不使用時，操作員將開關(guān)置于S0，此時3路工作狀態(tài)控制信號均為高電平無效；車輛工作時，操作員首先將開關(guān)置于S1，自動功能檢測狀態(tài)AFT由高電平變?yōu)榈碗娖剑到y(tǒng)將自動檢查工作能力、工作準(zhǔn)備情況以及故障情況。若出現(xiàn)故障，紅色指示燈發(fā)亮；若功能完好，綠色指示燈發(fā)亮；紅色指示燈發(fā)亮?xí)r，操作員將開關(guān)L置于S2，AFT由低電平變?yōu)楦唠娖綗o效，手動功能檢測狀態(tài)MFT由高電平變?yōu)榈碗娖剑到y(tǒng)處于自動功能檢測狀態(tài)，操作員要具體確定哪一部分出現(xiàn)故障；綠色指示燈發(fā)亮，操作員將開關(guān)置于S3，MFT由低電平變?yōu)楦唠娖綗o效，作業(yè)目標(biāo)狀態(tài)POS由高電平變?yōu)榈碗娖剑到y(tǒng)處于作業(yè)目標(biāo)狀態(tài)。

工作狀態(tài)控制信號如圖1示。其信號特點是：低電平有效，同一時刻只有一路信號為低電平；邏輯“0”

為0 V，邏輯“1”為3.5 V。

(2)允許啟動信號。允許啟動信號來自控制臺接口組合，記錄為裝備的打靶等信息。

當(dāng)控制臺接口組合面板上的指示燈1發(fā)亮?xí)r，說明雷達(dá)已經(jīng)鎖定目標(biāo)，此時從控制臺接口組合傳來的允許信號ENABLE1由高電平變?yōu)榈碗娖剑谙蛔佣〞r器開始定時，實時檢測啟動信號START1是否在60s內(nèi)由高電平變?yōu)榈碗娖剑魴z測到低電平，說明操作員按下“啟動1”按鈕的時刻是正確的，否則為誤操作。操作員必須在60s內(nèi)，操作“啟動”按鈕，產(chǎn)生啟動START1信號，進(jìn)行導(dǎo)彈加電和發(fā)射，否則操作無效，雷達(dá)開始搜索下一目標(biāo)。允許信號ENABLE2和啟動信號START2，用于控制雷達(dá)搜索另一目標(biāo)，其功能原理與ENABLE1、START1相同。允許和啟動信號如圖2示，其特點如下：

① ALW1和STT1為一組，ALW2和ST2為一組，兩組之間相互獨立；

② 信號幅值：邏輯“0”為0 V，邏輯“1”為3.5 V；

③ 四路信號均為低電平有效。

根據(jù)要求，設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

首先由采集電路采集各路開關(guān)量信號，觸發(fā)微處理器時鐘記錄時間信息，由發(fā)射電路編碼后發(fā)送，接收電路接收信號并將解碼后的信息傳送給上位機，MCU通過I2C總線[3]完成對采集過程的控制。

硬件設(shè)計

本設(shè)計中，數(shù)據(jù)采集端與接收端采用相同的單片機作為MCU控制單元，這樣減少了電路設(shè)計的開發(fā)量，并取得很好的兼容性。

MSP430單片機與nRF24L01的連接方式

M C U選用T I公司新一代基于閃存的超低功耗微處理器MSP430F5438，內(nèi)含256KB+512B的FLASH和16KB的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器RAM，可以將驅(qū)動及控制nRF24L01的程序?qū)懭朐撻W存，無需外接EPROM，簡化了電路設(shè)計降低了系統(tǒng)功耗。并有達(dá)到4個通用通信接口，支持SPI、I2C通信[4]。

射頻模塊選用一款工作在2.4~2.5GHz通用ISM 頻段的單片無線收發(fā)器芯片nRF24L01，nRF24L01由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯特編碼/解碼，內(nèi)部集成NORDIC自己的 Enhanced Short Burst協(xié)議，可以實現(xiàn)點對點或是1對6的無線通信，無線通信速度可以達(dá)到2Mbps[5]。

此次設(shè)計主要用到了MSP430F5438兩個串口通信模塊USART0和USART1，USART0作為UART使用，提供異步通信，通過MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片提供RS-232接口和PC機進(jìn)行通信[6]，USART1作為SPI使用，提供同步通信，主要是和nRF24L01之間進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)通信。

SPI(Serial Peripheral Interface)總線是由Motorola公司提出的一種同步串行外設(shè)接口只需片選CS，串行時鐘SCK，串行輸入SI，串行輸出SO等四條線就可以完成控制器與各種外圍器件的通訊[7]。

nRF24L01與MCU連接時采用單片機標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口，把MSP430F5438的管腳P1.4、P3.0、P1.3、P3.3、P3.2、P3.1配置成通用I/O引腳，分別與nRF24L01的IRQ，CE，CSN，SCK，MOSI，MISO連接，控制nRF24L01的工作方式，連接電路如圖4所示。

nRF24L01模塊電路

nRF24L01芯片的VCC腳接電壓范圍為1.9V~3.6V之間，而MSP430單

片機的I/O輸出為3.3V，因此I/O口線直接連接即可。VSS配置接地，在XC1、XC2間配置16MHz的外部晶振。射頻收發(fā)的天線部分使用PCB板天線，用一個4.7μF鉭電容并聯(lián)一個小電容進(jìn)行去耦。nRF24L01模塊電路如圖5所示。

軟件設(shè)計

系統(tǒng)主要由2個方面的程序控制，包括采集端程序和發(fā)送接收程序。由于系統(tǒng)是針對裝備使用信息的采集，主要記錄裝備使用的時間區(qū)間；為了降低干擾對射頻傳輸?shù)挠绊懀O(shè)計了基于跳頻通信的抗干擾程序。

采集端程序設(shè)計

數(shù)據(jù)采集前端通過傳感器檢測采集對裝備的各項操作產(chǎn)生的開關(guān)信號，信號特點是低電平有效，時鐘開始計時，檢測到高電平信號停止計時，記錄時間區(qū)間；檢測到擊發(fā)類型信號時記錄時間節(jié)點。記錄完成將結(jié)果發(fā)送至MCU處理。主程序流程如圖 6所示。

按照程序模塊化設(shè)計的思路，設(shè)計相應(yīng)子程序iic_start()、iic_stop()、slave_ACK()、slave_NOACK()、check_ACK()等，分別實現(xiàn)對I2C的啟動、中止控制和應(yīng)答位的發(fā)送、中止和檢查等功能，進(jìn)而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸過程的控制。

基于跳頻通信的抗干擾設(shè)計

對于NRF24L01 的編程主要是通過命令控制線CE、CSN以及中斷信號IRQ共同完成的。發(fā)射節(jié)點在配置完成以后，CE置高，發(fā)射節(jié)點FIFO中的數(shù)據(jù)發(fā)出；接收節(jié)點成功接收到數(shù)據(jù)，IRQ置低；接收節(jié)點自動發(fā)射ACK，發(fā)射節(jié)點收到ACK后IRQ置低，表示發(fā)送成功。

2.4GHz屬于開放的ISM頻段，許多系統(tǒng)如WLAN、藍(lán)牙等都共用這一頻段，通信可能會受到外界環(huán)境較多的干擾[8]，為此，本系統(tǒng)設(shè)計了自適應(yīng)跳頻通信方式來降低外界干擾帶來的影響。本設(shè)計中，擬選用6個頻道進(jìn)行通信，這六個從2.4GHz到2.45GHz，相鄰2個信道間隔10MHz，當(dāng)某個數(shù)據(jù)頻道出現(xiàn)干擾時，將跳到另一個頻道中進(jìn)行通信。

為了實現(xiàn)跳頻，設(shè)計一個與數(shù)據(jù)頻道相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中設(shè)置變量ch_Index表示從站當(dāng)前使用的數(shù)據(jù)頻道在數(shù)據(jù)頻道數(shù)組中的索引，該變量初始化為0(2.4GHz)。數(shù)據(jù)采集端發(fā)送和接收端接收程序流程如圖7所示。

如果順利完成通信，采集端的MCU和發(fā)射模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)，一直到下一個采集周期的到來。如果沒有發(fā)送成功并且沒有達(dá)到最大重發(fā)次

數(shù)，采集終端將重發(fā)該幀數(shù)據(jù)；如果連續(xù)重發(fā)達(dá)到三次上限，修改數(shù)據(jù)頻道索引ch_Index，這樣將在另一個頻道進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，完成一次數(shù)據(jù)頻道跳頻。

c h _ I n d e x值的改變按照0-2-4-1-3-5-0的規(guī)律進(jìn)行，這樣跳頻后與跳頻前的信道頻率間隔至少為20MHz，即跳頻后的通信頻道與受干擾頻道拉開了20MHz的頻率間距，并且如果該頻距仍然無法完全消除干擾的影響，節(jié)點會自動又進(jìn)行一次跳頻，進(jìn)一步拉開與干擾頻道的頻距。由于干擾通常在一定時間內(nèi)只在某個頻道存在，6個數(shù)據(jù)頻道同時受到干擾的概率較小。因此，該方法可以有效地抵制干擾。

實驗分析

為了檢驗設(shè)備傳輸特性，在實驗室加入2.4GHz的噪聲信號，分別在不做跳頻和有跳頻算法的情況下，進(jìn)行收發(fā)驗證。用示波器記錄發(fā)送波形如圖8所示。

圖8a中黃色信號是發(fā)射端CE，綠色信號是發(fā)射端IRQ，接收端沒有信號回饋，由于達(dá)到最大發(fā)射次數(shù)，CE置高后將近10ms IRQ才置低。證明發(fā)送失敗。圖8b中紫色信號是發(fā)射端CE，綠色信號是接收端IRQ，黃色信號是發(fā)射端IRQ，可以看出發(fā)射端使能CE后，發(fā)送端從發(fā)出數(shù)據(jù)到接收ACK之間的時間間隔只有3ms，可以判斷出通信成功，驗證了跳頻方式能夠有效抵制干擾。

結(jié)語

本文設(shè)計了一個車輛裝備動用信息檢測系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)構(gòu)成和實現(xiàn)方案。設(shè)計了采集端單片機控制的采集裝備動用信息的程序和基于跳頻通信的通信程序，用來抵制干擾，以順利完成通信。最后經(jīng)過實驗驗證跳頻方式能有效抵制干擾，結(jié)果顯示符合裝備應(yīng)用實際，具有應(yīng)用價值。

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