1 引言
由于無線數據通信不用布線，快速布局，因此具有有線數據通信無法比擬的便捷性，在特殊場合具有不可替代性。然而，傳統的由基本射頻集成電路搭建的無線數據通信系統存在電路復雜，成本高，傳輸速率低，可靠性差等缺點。為此，Nordic公司推出一款工業級內置硬件鏈路層協議的低成本單芯片nRF24L01型無線收發器件。該器件采用GFSK調制，128個頻點自動跳頻，片內自動生成報頭和CRC校驗碼，具有出錯自動重發功能，這些特性使得由nRF24L0l構建的無線數據傳輸系統具有成本低，速率高，傳輸可靠等優點。
2 nRF24L01簡介
圖l給出nRF24L0l的引腳排列。nRF24L01工作于2．4~2．5 GHz ISM頻段，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，并融合了Enhanced ShoekBurst技術。其中，輸出功率、通信頻道、自動重發次數等參數可通過編程設置。內置的SPI接口，其速率為0～8Mb／s，MCU通過SPI接口控制nRF 24L0l。nRF24L01的特點如下：①功耗低。能夠在以一6 dBm的功率發射時，工作電流只有9 mA；在以0 dBm的功率發射時，工作電流僅11．3 mA；而在接收時，工作電流僅12．3 mA，因此具有掉電和空閑多種低功率工作模式。②體積小，采用QFN20封裝。③供電電壓為1．9~3．6 V，可方便集成到各種電子器件。
3 LPC214x簡介
IPC214x系列是Philips公司的基于ARM7內核的高性能器件，與LPC213x系列器件相兼容，并增加了一些新功能，性能得到了大大的提升。LPC214x系列器件最大特色是內置2kB終端RAM的USB 2．0全速控制器，1個(LPC2141／42)或2個(LPC2144/46/48)10位A/D轉換器，多個串行接口，包括2個UART、2個高速I2C總線、SPI和具有緩沖作用及可變數據長度的SSP。LPC214x系列器件采用單電源供電，具有上電復位(POR)和掉電檢測(BOD)電路。相對于普通ARM7來說，LPC214x還提升了I／O端口的速度，并且內置8—40 KB的靜態RAM和32~512 KB的高速Flash存儲器；工作頻率高達60MHz；采用超小型LQFP64封裝。
4 系統硬件設計
該系統采用模塊化設計，主要由LPC2144、nRF24L01、射頻功放和天線模塊組成。其中，射頻功放采用臺灣K一BEST公司的2.4 G雙向功放模塊。圖2是系統總體設計圖。上位機為PC機，LPC2144與nRF24L01連接，根據需要配置2．4 G功放和增益天線模塊。如果配置0．5 W功放和高增益天線，則傳輸距離可達5~10 km。下位機為嵌入式平臺，該嵌入式平臺可以是單片機、ARM、DSP和FPGA，nRF24L0l可通過SPI接口直接與嵌入式平臺連接。
圖3給出LPC2144與nRF24L0l的硬件接口設計。配置LPC2144的P0．2、P1．19作為GPIO端口分別與nRF24L0l的CE和CSN連接；配置LPC2144的P0．4、P0．5、P0．6作為SPIO端口分別與nRF24L0l的SCK、MISO、MOSI連接：配置LPC2144的P0．16作為EINT0端口與nRF24L0l的IRQ連接。
5 系統軟件設計
發送端LPC214x完成初始化后，把nRF24L01配置成PTX工作模式。若從上位機接收到數據，則啟動nRF24L01發送數據。若發送成功，則產生TX_DS中斷；若重發超限，則產生MAX_RT中斷；若發送成功，則繼續發送，否則進行出錯處理。接收端LPC214x完成初始化后，把nRF24L0l配置成PRX工作模式。當正確接收數據時，nRF24L0l產生接收中斷標志，LPC214x從nRF24L01讀取數據并向下位機發送。圖4給出軟件流程圖。軟件開發環境為ADSl．2。
5．1 nRF24L01的初始化
nRF24L01通過SPI接口和外部控制器件如MCU、ARM、DSP進行數據交換，其SPI協議是MSB在前，LSB在后。如果要讀寫多個字節，先讀寫低字節。如果外部控制器件沒有SPI接口，可用普通I／O接口模擬。這里選用帶SPI接口且可方便地與nRF24L0l連接的LPC21440表l給出nRF24L0l的命令表。
由表可見，通過SPI接口傳入nRF24L01的第一個字節是命令字，nRF24L0l的各種命令字都只有一個字節，分為讀寄存器、寫寄存器、讀數據接收緩沖區、寫發送數據緩沖區等。在輸入任意命令字的同時，MISO輸出的都是STATUS寄存器的內容。nRF24L0l的數據傳輸模式有ShockBurst和Enhanced ShockBurst兩種數據包。后者比前者多了一個確認數據傳輸的信號，保證數據傳輸的可靠性。該器件內部完成需要高速處理的RF協議，發送數據時只需將數據放入發送數據緩沖區，器件會自行產生前導字符和CRC數據，并將這些數據地址和地址信息、發送數據緩沖區的數據等組成一個數據包發送出去。圖5給出兩種模式的數據包格式。
現按后一種模式初始化。在配置為接收數據時，nRF24L01接收到數據包后，由硬件解析地址數據和信息數據，當接收到有效信息數據后，在IRQ引腳產生中斷，并通知外部處理器讀取數據。在配置為發送數據時，nRF24L0l發送數據包后，自動切換到接收模式已接收返回的確認信號，當收到確認信號后，IRQ引腳產生數據發送完成中斷，如果沒有握手信號返回，則表示發送失敗，器件自動重新發送，如果重新發送的次數超過在ARC_CNT寄存器中的設定值時，會在IRQ引腳產生重發次數超限中斷。MCU查詢STATUS寄存器的值，即可判斷是發送完成中斷，還是重發次數超限中斷。
當發送端nRF24L0l配置成PTX模式時，配置nRF24L01工作在后一種發送模式下，重新發送的等待時間為250μs，重新發送次數為10次，地址是TX_AW，輸出功率為0 dBm，速度為2 Mb／s，并且使能發送完成和重發送次數超限兩種中斷，CRC校驗位為2字節，nRF24L01處于POWER_UP狀態。函數中WRITE_REG為寫命令基地址0x20。程序如下：
當接收端nRF24L01模塊配置成PRX模式時，配置nRF24L0l工作在接收模式下，地址是RX_AW，負載數據寬度是TX_PL_W，使能接收完數據中斷，CRC校驗位為2字節，nRF24L01處于POWER_UP狀態。程序如下：
5．2 nRF24L01的數據收發
(1)發送數據 當nRF24L0l模塊配置成發送模式后，向發送FIFO輸入數據即可啟動傳輸。發送8 Byte的程序如下：
(2)接收數據 當nRF24L0l模塊配置成接收模式后，在接收到數據中斷發生時，從接收FIFO讀取數據。接收8字節的程序如下：
6 結語
介紹了基于ARM和nRF24L0l的無線數字傳輸系統的硬軟件設計。該系統已應用于微型飛行器的實時圖像傳輸和遙測中。在實際應用中，可根據需要，將nRF24LOl組成一對一、一對多、多對多的結構。該系統還可廣泛應用于無線測控、文件傳輸等領域。