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1 前言 現在，越來越多的無線技術被應用到自動控制系統中。nRF2401是挪威Nordic公司推出的單片2.4GHz無線收發一體芯片，支持多點間通信，最高傳輸速率達到1Mbit/s，可以用于無線網絡中。 USB2.0口傳輸速率是480Mbps，有即插即用和熱插拔功能。接口提供內置電源，可以向外設提供5V和最多500mA的電源。因此在以計算機為上位機的控制系統中，USB口比較適合作為計算機與測控網絡的接口。 USB接口器件的開發過程比較復雜，開發者需要知道USB協議、USB設備驅動程序開發、主機應用程序開發等知識，使用USB-UART橋接電路CP2102可以避免上述麻煩。 2 系統的設計思想及nRf2401和CP2102介紹 系統的設計思想如圖1所示。系統是由 CP2102、nRF2401、單片機等組成。 nRF2401是業界體積最小、功耗最低、外圍元件最少的低成本射頻芯片。有125個頻道，速率(0~1Mbps)、發射功率和工作頻率等所有工作參數可編程設置。每個芯片可以通過軟件設置最多40bit地址，而且只有收到本機地址時才會輸出數據。內置CRC糾檢錯硬件電路和協議。 nRf2401內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊。工作于2.4～2.5GHz ISM自由頻段，采用SoC方法設計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發電路。nRF2401沒有復雜的通信協議，它完全對用戶透明，同種產品之間可以自由通信。 CP2102是美國Silicon公司生產的高集成度USB-UART橋接電路。它們能夠用最簡單的外部電路、最少的外部器件簡便實現USB2.0到UART的轉換。 使用CP2102作為USB接口器件最大的特點是開發方便：①廠商免費提供適用于Windows(含Windows CE)、Linux等操作系統的驅動程序。驅動程序將計算機的USB口虛擬成一個COM口，計算機使用普通操作串口的命令訪問虛擬COM口。②內置USB2.0全速功能控制器、USB收發器、48MHz內部晶體振蕩器、1KB字節 E2PROM及異步串行數據總線（UART），電路無需任何外部的USB器件。③CP2102的UART接口波特率為300bps～921.6kbps，可以滿足無線網絡的傳輸要求。 3 硬件電路的實現 上位機系統電路如圖2所示。單片機選用ATmega16，是ATMEL公司生產的高性能、低功耗的8 位AVR?微處理器，采用先進的RISC 結構，數據吞吐率高達1 MIPS/MHz。片內集成有16K 字節可編程Flash、512 字節的E2PROM、1K字節的SRAM、兩個可編程 的串行UART和可工作于主機/從機模式的SPI 串行接口。 圖2 上位機系統電路 CP2102無需外部電阻和晶體，VBus與REGIN引腳連到USB接口的Vbus端，在REGIN端加1μF的去耦電容。CP2102與單片機接口是標準UART電平，RTX、TXD引腳分別是串口的接收、輸出端，與單片機的對應引腳相連。CP2102的USB端與計算機的USB口連接。CP2102的SUSPEND腳是USB口掛起信號端，接到單片機的PC4引腳。 圖3 無線收發模塊 上位機所有器件均由計算機的USB口提供電源。ATmega16L的電源電壓范圍為2.7～5.5V，nRF2401的電源電壓范圍為1.9～3.6V，利用計算機USB口的+5V電源，通過MIC2937A芯片將電壓轉換為3.3V。 無線收發模塊電路如圖3所示。nRf2401外圍元件很少，可使用單鞭天線或環形天線，電感需要采用高Q高精度的貼片繞線高頻電感，晶體需采用高穩定晶體，電容應選用高穩定貼片元件。nRf2401通過SPI接口與單片機進行通訊，ATmega16集成了SPI接口（CLK、MISO、MOSI引腳），與nRf2401的CLK1、DATA相連接。nRf2401的CS是片選端，CE是發送或接收控制端，PWR_UP是電源控制端，分別由單片機的PC5、PC6、PC7引腳控制。nRf2401的DR1為高時表明在接收緩沖區有數據，接單片機的中斷引腳。 4 單片機程序設計 4.1 單片機對串口的編程 ATmega16集成有串口，使用前需要先對它進行初始化。具體過程如下： ①UCSRA=0，異步正常模式； ②UBRR=1，設置波特率為500Kbps; ③UCR= 0x98，使能接收中斷，允許發送； ④SREG=0x80;//開中斷。 初始化后，可以通過串口與CP2102進行數據交換。采用中斷方式接收，當有串口數據到達時單片機產生中斷，單片機響應中斷從接收緩沖器讀入數據。串口接收中斷程序如下： #pragma interrupt_handler uart_rec:8 unsigned char i; void uart_rec() {i=UDR;} 串口發送程序如下：①UDR=1，發送數據；②while(!(USR&0x40))，等待發送結束；③USR&=~0x40，清發送完標志。 4.2 單片機對nRF2401的編程 單片機對nRf2401的編程包括對nRf2401進行配置、發送數據、接收數據等程序。 當PWR_UP=1、CE=0、CS=1時nRf2401進入配置工作狀態。配置字最高可達18字節，作用是使nRf2401子系統能夠處理RF協議。配置字從最高位開始，依次通過SPI接口（CS、CLK1和DATA）送給配置寄存器。本系統配置為ShockBurst方式，配置字分為如下四塊：有效數據寬度（DATA2_W和DATA1_W）、地址寬度（ADDR2和ADDR1）、接收頻道地址（ADDR_W）、CRC配置（CRC_L和CRC_EN）。其值從高到低分別為8EH, 08H, 1CH, 20H, 50H, 0AH, 0BH, 0CH, 0DH, 0EH, 0AAH, 28H, 0AH, 0BH, 0CH, 0A3H, 6FH, 65H。配置后nRf2401的通道1數據段長度80bit(其中nRf2401的序列號8byte + 2byte溫度數據)，地址段長度40bit，通道1硬件地址0AAH, 28H, 0AH, 0BH, 0CH，啟用16位片上校驗功能，單通道接收，突發傳遞模式，通信速率1Mbit/s，晶振頻率16MHz，工作頻段2.450GHz，開始處于接收狀態。 當PWR_UP=1、CE=1、CS=0時為收發方式。ShockBurst發送過程如下：①CE=1，nRf2401開始工作；②將接收節點地址寫入nRf2401；將需要發射的數據寫入nRf2401；③CE=0，激活ShockBurst發送。 通過中斷方式接收數據。當有數據需要接收時，nRf2401會將DR1置高產生中斷信號，接收完畢后DR1又會被置低。首先配置中斷0為上升沿觸發方式（ISC01=1， ISC00=1），具體接收過程如下： ①校驗接收到的RF包的地址和欲接收的RF包中有效數據的長度； ②CE=1，激活RX； ③經過200μs處理，nRf2401子系統監視啟動并等待信號的到來； ④當收到一個有效的數據包（正確的地址和CRC），nRf2401子系統移去前綴、地址和CRC位； ⑤nRf2401子系統通過把DR1置高，產生中斷信號； ⑥CE=0，RF設為低功耗方式； ⑦單片機取出有效數據，需要注意的是，每接收一個字節需要先寫0xff 到nRF2401。 完整的射頻數據包由四部分組成：前綴、地址、有效數據和CRC。前綴一般是8位（也可以設置為4位，由地址的首位決定）。如果地址的首位是0，前綴為01010101；如果地址的首位是1，前綴為10101010。ShockBurst方式下，CP2102接收到有效的數據包后，自動移去前綴、地址和CRC，只留有效數據。 5 計算機控制軟件的編程 當把CP2102與計算機連接時，系統會提示發現新硬件，并要求安裝驅動程序，執行CP2102驅動程序的安裝文件即可。驅動程序安裝后，在設備管理器中會有CP2102虛擬的COM口（一般是COM3）。 VB開發環境集成有串口控件MSComm，該控件是將RS-232的初級操作予以封裝，用高級的Basic語言即可實現串口數據的發送和接收。 首先向工具箱添加MSComm控件，并產生一個串口對象，取對象名為“MSc”。然后編程對MSc進行初始化，步驟如下： ①MSc.CommPort=3， 選擇安裝驅動程序后計算機虛擬的COM3口； ②MSc.Settings = "500000,n,8,1"，設置通信波特率是500kbps，無校驗，8位數據，1位停止位； ③MSc.InputMode=1，數據以二進制形式存取； ④MSc.RThreshold=1，每收到1個字符都觸發接收事件；⑤MSc.PortOpen=True，打開串口。 發送數據只是向控件的Output屬性寫數據即可，既MSc.Output=輸出的數據。 接收數據采取事件驅動方式，程序代碼如下： Public Sub msc_OnComm() Select Case MSc1.CommEvent Case comEvReceive av = MSc.Input '接收數據 ……'根據接收的數據進行處理 End Select End Sub 6 結束語 本系統通過CP2102實現USB2.0接口，通過nRF2401通實現無線數據收發，具有開發簡單、可靠性高等特點，傳輸速率可以達到900kbps，在工業控制、消費電子等各個領域都具有廣闊的應用前景。本文的創新點：系統使用CP2102芯片實現USB2.0接口，芯片廠商免費提供驅動程序，計算機端程序開發方便。使用nRf2401實現無線數據收發，有內置地址設置、CRC糾檢錯、工作于自由頻段優點。文章給出詳細的硬件電路和軟件程序。 |
