基于nRF24L01模塊的中繼協作通信系統設計與實現

謝寧俊等

摘 要： 設計一種基于nRF24L01無線射頻模塊的中繼協作通信系統，研究中繼協作傳輸相比于直傳鏈路的系統性能。利用無線射頻模塊和STC89C51組成硬件系統實現數據收發和轉發，闡述系統電路設計和軟件設計的實施關鍵。以降低系統誤碼率為目標，最大限度減少信道中噪聲干擾和信號衰減程度。測試實驗結果表明，使用該系統實現的中繼協作通信具備更強的抗干擾性能，提升了通信的整體質量。

關鍵詞： 協作通信； 單向中繼； 誤碼率； 射頻

中圖分類號： TN925?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）21?0067?05

Design and implementation of relay cooperative communication

system based on nRF24L01 module

XIE Ningjun， SHI Xiaoyi， YANG Jie， CHEN Rui

（School of Communication Engineering， Nanjing Institute of Technology， Nanjing 211167， China）

Abstract： A relay cooperative communication system based on nRF24L01 radio frequency （RF） module was designed. The system performance of relay cooperative transmission in comparison with the direct passing link is studied. The hardware system is composed of RF module and STC89C51 to realize data transceiving and transmitting. The implementation keys of system circuit design and software design are described. The goal is to reduce the system error rate， and decrease the noise interference and the signal attenuation degree in channel. The test experiment results show that the relay cooperative communication implemented by this system has strong anti?jamming performance， and has improved the integration quality of the communication.

Keywords： cooperative communication； one?way relay； error rate； RF

0 引 言

1979年，Cover和Gamal在對中繼信道的研究中，首次提到了協作通信的模型，他們研究了由源端、中繼和目的三節點構成的中繼通信網絡模型的信道容量。中繼在無線協作傳輸系統中起著重要作用，它能夠擴展覆蓋率，提高可靠性和增強傳輸能力[1]。無線中繼協作技術由于能夠擴大傳輸半徑及對抗衰落的影響，近年來成為無線通信領域的研究熱點[2?3]。

文獻[4]設計了一種中繼選擇通信系統并給出一種自適應中繼選擇方案（ARSS），系統以降低中斷概率和提高平均吞吐量為目標。文獻[5]研究的中繼協作通信可以在較少的瞬時信道信息情況下以低復雜度的中繼選擇算法獲取更優的中斷性能。文獻[6]給出了一種增加傳輸范圍，提高傳輸可靠性的系統設計方案，文獻[7?8]從系統能量效率的角度研究了協作通信并給出優化后的中繼協作傳輸系統模型。

然而現有的研究多基于理論模型，實際的通信系統的設計與實現較少，無線通信系統對傳輸性能和通信質量有很高的要求。文獻[9]設計了一種基于nRF24L01模塊的無線通信系統，滿足了網絡化條件下實現數據的可靠傳輸通信。文獻[10]通過設計一種基于ARM和射頻模塊的通信系統運用于無線數字傳輸和無線測控中。文獻[11]設計的通信系統具有傳輸穩定、傳輸速率高的特點。但以上系統的設計對于中繼協作傳輸的實現較少，在協作通信上的應用不多。

本文在已有成果的基礎上，設計了一種基于nRF24L01模塊的中繼協作通信系統，系統實現中繼轉發及完成接收端處兩路信號的合并，提高了系統的通信質量。

1 系統模型

本文設計一個單向中繼協作通信系統，系統模型如圖1所示。系統有3個節點，分別為由nRF24L01無線模塊設計組成的源點S、終端D和中繼節點R，整個系統工作在實際環境當中，單向直傳鏈路和中繼轉發鏈路中有噪聲和各類干擾，在S端和D端分別通過串口連接調試。

2 硬件設置

2.1 nRF24L01無線通信模塊簡介

nRF24L01是由Nordic公司生產的無線收發器芯片，引腳封裝如圖2所示。其工作在2.42～2.48 GHz ISM頻段，數據傳輸速率為0～2 Mb/s，內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調制器等功能模塊以及硬件CRC （循環冗余校驗）和點對多點通信地址控制，并融合了Enhanced ShockBurst 技術。

nRF24L01主要性能特點如下[12]：

（1） 極低的功耗：工作在各模式下的能耗較低，極大地減少了電流消耗；待機模式下的電流消耗為22 μA，掉電模式電流消耗僅為900 nA；

（2） 低工作電壓：在2.7～3.6 V電壓工作，工作溫度范圍為-40～80 ℃；

（3） 高速率，多通道： 6個數據通道，滿足多點通信和調頻需要，2 Mb/s的最高速率使得高質量VoIP成為可能；

（4） 擁有自動重發功能、地址及CRC校驗功能，具有125個可選工作頻道，擁有很短的頻道切換時間，可用于跳頻；

（5） 數據包每次可傳輸1～32 B的數據，4線SPI通信端口，通信速率最高可達8 Mb/s，適合與各種MCU連接，編程簡單；

（6） 輸出功率頻道選擇和協議的設置可以通過SPI 接口進行設置，幾乎可以連接到各種單片機芯片，并完成無線數據的傳送工作。

2.2 STC89C51芯片

STC系列單片機是美國STC公司推出的一種51內核單片機。其片內含有FLASH程序存儲器，SRAM，UART，SPI，A/D，PWM等模塊，片上集成512 B RAM，片內含8 KB的可反復擦寫1 000次的FLASH只讀程序存儲器，器件兼容標準MCS?51指令系統及80C51引腳結構，芯片內集成了通用8位中央處理器和ISP FLASH存儲單元，具有在系統可編程（ISP）特性，配合PC端的控制程序即可將用戶的程序代碼下載進單片機內部，且速度較快。

工作電壓：3.8～5.5 V，工作溫度：0～75 ℃（3.8 V）/-40～ 85 ℃（5.5 V）。

3 電路設計

系統硬件主要由STC89C51芯片搭載nRF24L01無線射頻模塊，STC89C51作為主控芯片其接口數量可以滿足nRF24L01模塊需求，射頻模塊的工作電壓為2.7～3.6 V，設計中采用3.3 V的電源對其進行獨立供電。單片機接11.059 2 kHz的低頻晶振工作，nRF24L01的工作頻率為16 MHz，由低速的MCU控制高速收發的射頻芯片為本系統的特點。

nRF24L01和STC89C51的連接電路圖如圖3所示。

在圖3中，CE，CSN，SCK，MOSI，MISO和IRQ分別與STC89C51的P0.0，P0.1，P0.2，P0.3，P0.4和P0.5相連接，單片機通過SPI接口對nRF24L01進行狀態配置，發送端配置成發送模式，當P0.0（CE）信號從高電平跳變到低電平，nRF24L01將數據以2 Mb/s的速率發射出去，單片機檢測到其成功發射的信息后繼續準備下一個數據發送。接收端配置成接收模式，一旦檢測到與自身相同的信息地址就取出包中的信息并使P0.5（IRQ）變低，通知單片機將接收到的數據取走并再次置為接收模式。

4 軟件設計

單片機對nRF24L01 模塊的軟件控制包括在配置模式下對nRF24L01的初始化配置、發送數據、接收存儲數據以及轉發數據配置，具體軟件工作流程如下：

（1） 干擾源未工作，模擬理想直傳鏈路傳輸。在開始階段，源點準備好待傳輸的數據信息，開始冗余位以及結束標志位；終點設置成接收模式，等待源點發送的數據，在接收到開始標志后將接收到的信息經過比較判決后，通過串口調試助手發送到電腦，基本流程如圖4所示。

（2） 干擾源加入系統，模擬信號干擾，對直傳鏈路產生影響，源點和終點的配置模式保持不變，干擾源工作模式同源點工作模式相同，基本流程如圖5所示。

（3） 在干擾存在的情況下，使能中繼端，模擬中繼對協作傳輸系統的改善。作為中繼的nRF24L01模塊設置為可在接收和發送兩種狀態之間切換，初始設置為接收模式，待收到源點的開始標志位后將傳輸信號進行轉發，直至收到源點的結束標志位后停止轉發，基本流程如圖6所示。

圖6 中繼協作傳輸過程

4.1 nRF24L01傳輸配置

nRF24L01工作狀態下的SPI時序表示如下：

unsigned char NRFSPI（unchar date）

{

unchar i；

for（i=0；i<8；i++）

{

if（date&0x80）

MOSI=1；

else

MOSI=0； //byte最高位輸出至MOSI

date<<=1； //低一位移至最高位

SCLK=1；

if（MISO）

date|=0x01； //讀MISO至byte最低位

SCLK=0； //SCK置低

}

return（date）；

}

4.2 nRF24L01數據收發設計

發送端配置成發送模式，根據sta的狀態判斷發送是否成功，單片機識別到TX_DS（數據發送完成中斷位）為1或檢測到MAX_RT（達最多發送次數）為1時進行對應處理，nRF24L01配置發送模式并發送數據TxDate的過程如下：

void NRFSetTxMode（unchar *TxDate）

{

CE=0；

NRFWriteTxDate（W_REGISTER+TX_ADDR，TxAddr，TX_

ADR_WITDH）；

NRFWriteTxDate（W_REGISTER+RX_ADDR_P0，TxAddr，TX_ADDR_WITDH）；

NRFWriteTxDate（W_TX_PAYLOAD，TxDate，TX_DATA_

WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_AA，0x01）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_RXADDR，0x01）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+SETUP_RETR，0x00）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RF_CH，0x40）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RF_SETUP，0x07）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+CONFIG，0x0e）；

CE=1；

Delay（5）；

}

終端配置成接收模式，目的接收地址和發送地址保持一致，在nRF24L01的對應通道中使能選定通道對源點發送來的信號進行接收，nRF24L01配置成接收模式的過程如下：

void NRFSetRXMode（ ）

{

CE=0；

NRFWriteTxDate（W_REGISTER+RX_ADDR_P0，RxAddr1，TX_ ADDR_WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_AA，0x01）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+EN_RXADDR，0x01）；

//enable channel 0

NRFWriteReg（W_REGISTER+RX_PW_P0，TX_DATA_ WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RX_PW_P1，TX_DATA_ WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RX_PW_P2，TX_DATA_ WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RX_PW_P3，TX_DATA_ WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RX_PW_P4，TX_DATA_ WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RX_PW_P5，TX_DATA_ WITDH）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+RF_CH，0x40）；

NRFWriteReg（W_REGISTER+CONFIG，0x0f）；

CE=1；

Delay（5）；

}

5 系統性能測試

整個系統測試運行在實際環境當中，無線協作傳輸系統由源點、終點、中繼和干擾源構成，干擾源可全程對直傳鏈路和協作傳輸鏈路進行干擾，接收端對接收到的信號進行合并，實驗設定的發送均值為5，因此在接收端處，數據均值越靠近5則表明誤碼率越低；反之，誤碼率越高。

無干擾的時候，接收端接收到的信號均值為5，誤碼率很低。當干擾信號對鏈路進行干擾，終點收到的信號隨著干擾程度的加深，信號均值產生很大的偏移，造成較大的誤碼率。經測試，干擾源信號分別從0～3，1～4，2～5，3～6，4～7，5～8，6～9中選擇，并將所得結果表現出來，如圖7所示。

6 結 語

本文設計了一種基于nRF24L01無線射頻模塊的中繼協作通信系統。系統運行功耗低、成本少，在實際環境中運行穩定，傳輸效果良好，顯著降低了誤碼率。協作傳輸鏈路的設計改善了系統整體通信質量，增強了抗干擾性能，在此基礎上將進一步完成雙向分布式中繼協作通信系統的設計。本文實現的通信系統再做改動，還可應用于一些其他無線通信領域。

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