基于MCU和nRF905的低功耗遠距離無線傳輸系統(tǒng)

目前，在遙控遙測、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集、無線遙控系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)鍵盤等許多應(yīng)用領(lǐng)域，都采用無線方式進行遠距離數(shù)據(jù)傳輸。本文介紹一種采用通用的低功耗單片機MSP430作為主控芯片、具有多信道的單片收發(fā)芯片nRF905作為無線收發(fā)模塊、利用SPI口實現(xiàn)雙向通訊的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)集成了MSP430在低功耗應(yīng)用方面的優(yōu)勢和nRF905無線特有的多頻道支持及功耗低、易控制等優(yōu)點，特別適合于低功耗、小數(shù)據(jù)量的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。主控MCU使用TI公司MSP430系列中的 F1491型，射頻收發(fā)模塊使用Nordic公司的nRF905實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)。除MSP430和nRF905外，系統(tǒng)還提供RS-232接口，可以實現(xiàn)與PC機的通訊，RS-485接口滿足一些通用儀器儀表的要求。根據(jù)不同的應(yīng)用需求，可選擇采用PCB天線或高增益的外置式天線以滿足遠距離的需求。

2 系統(tǒng)主要芯片介紹

MSP430是TI公司推出的16位系列單片機，在電池供電的低功耗應(yīng)用中具有獨特的優(yōu)勢。其工作電壓在1.8～3.6V之間，正常工作時功耗可控制在 200μA左右，低功耗模式時可實現(xiàn)2μA甚至0.1μA的低功耗。本系統(tǒng)所采用的MSP4301491系列在單個芯片上集成8通道12位的A/D轉(zhuǎn)換、 2個16位定時器、2個USART接口、16位看門狗、48個GPIO 端口及2 048KB RAM和60KB的flash，單片即可滿足大多數(shù)應(yīng)用需要。其高效率精簡16 位指令結(jié)構(gòu)可以確保任何任務(wù)的快速執(zhí)行，大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成；它還具有高級語言編程能力，使軟件開發(fā)更為便利[1]。

射頻部分使用Nordic公司的多通道單片收發(fā)芯片nRF905[2]。它采用GFSK 調(diào)制解調(diào)技術(shù)，工作電壓為1.9～3.6V，工作于433/868/915MHz 3個ISM頻道。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，具有低功耗的Shock Burst工作模式，可以自動完成前導(dǎo)碼和CRC的工作，可由片內(nèi)硬件自動完成曼徹斯特編碼/解碼，使用SPI接口與MCU通信，配置非常方便。作為射頻發(fā)射芯片，其低功耗性能是極為突出。以-10dBm的輸出功率發(fā)射時，電流只有11mA，在接收模式時電流為12.5mA。nRF905傳輸數(shù)據(jù)時為非實時方式，即發(fā)送端發(fā)出數(shù)據(jù)，接收端收到后先暫存于芯片存儲器內(nèi)，外部的MCU可以在需要時再到芯片中去取。nRF905一次發(fā)射最多可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量為 32B。天線接口設(shè)計為差分天線，便于使用低成本的PCB天線[3]。

3 點對點無線通信的實現(xiàn)

3.1 SPI接口

nRF905利用SPI口實現(xiàn)與MCU的雙向通訊。nRF905的SPI總線包括4個引腳：CSN(SPI使能)、SCK(SPI時鐘)、MISO (主入從出)和MOSI(主出從入)。其中CSN可以接到一個GPIO端口控制芯片工作，而其他三個腳則連接到主控MCU的SPI接口上。主控MCU可以使用GPIO端口控制nRF905的3根控制線，控制低功耗的PWR_UP、正常工作的TX_EN、選擇發(fā)送還是接收方式的TRX_CE。nRF905有兩種節(jié)能模式和兩種工作模式，分別為掉電模式、待機模式、Shock Burst 接收模式和Shock Burst發(fā)送模式。這幾種模式由主控MCU通過控制nRF905的3個引腳PWR_UP、TRX_CE和TX_ EN的高低電平來決定。nRF905有3個引腳用于狀態(tài)輸出，分別是：CD(載波檢測)、AM(地址匹配)和DR(數(shù)據(jù)就緒)，均為高電平有效。 nRF905在處于接收模式時，若檢測到接收頻率段的載波，就置CD為高。接著檢測載波數(shù)據(jù)中的地址字節(jié)，若與本身已配置的接收地址相同，則置AM為高；若檢測到接收數(shù)據(jù)中的CRC校驗正確，則存儲有效數(shù)據(jù)字節(jié)，置DR為高。

MCU通過SPI總線配置nRF905的內(nèi)部寄存器和收發(fā)數(shù)據(jù)。這里nRF905為從機，其SPI的時鐘范圍很寬，可為1Hz～10MHz，因此 MCU在寫控制程序時不必苛求時間的準確度。SPI總線的每次操作都必須在使能引腳CSN的下降沿開始，CSN 低電平有效，總線上的數(shù)據(jù)在時鐘的上升沿有效。MCU對SPI總線進行讀操作時，先把CSN置低，然后在MOSI 數(shù)據(jù)線上輸出一個表示讀命令的字節(jié)，與此同時，nRF905會在MISO數(shù)據(jù)線上輸出一個字節(jié)表示狀態(tài)信息的數(shù)據(jù)，隨后輸出一個地址字節(jié)，后面跟隨有效數(shù)據(jù)。在進行寫操作時比較簡單，MCU先把CSN拉低，然后在MOSI線上輸出寫命令字節(jié)和數(shù)據(jù)字節(jié)即可。

3.2 數(shù)據(jù)收發(fā)過程

在nRF905正常工作前，必須由MCU根據(jù)需要寫好配置寄存器。發(fā)送數(shù)據(jù)時，先通過MCU把nRF905置于待機模式(PWR_UP置為高、 TRX_CE置為低)，然后通過SPI總線把發(fā)送地址和待發(fā)送的數(shù)據(jù)都寫入相應(yīng)的寄存器中，之后把nRF905置于發(fā)送模式(PWR_UP、TRX_CE 和TX_EN全部置高)，配置成功后數(shù)據(jù)就會自動發(fā)送出去。若射頻配置寄存器中的自動重發(fā)位(AUTO_RETRAN)設(shè)為有效，數(shù)據(jù)包就會被重復(fù)發(fā)出，直到MCU拉低TRX_CE退出發(fā)送模式為止。nRF905發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖如圖2所示。