楊家桂，聶德品，陳勁松，武 岳

（1.安徽財經(jīng)大學(xué)，安徽 蚌埠 233030；2.中鹽昆山有限公司，江蘇 昆山 215321)

0 引言

如果物品與其主人或無自理能力的老人、小孩與看護(hù)人的距離超過一定值時，能及時提醒物品主人或看護(hù)人，會減少很多麻煩。本設(shè)計應(yīng)用PIC16F616 單片機(jī)控制無線數(shù)字傳輸芯片nRF24L01，以無線方式在客戶和被保護(hù)對象之間進(jìn)行數(shù)據(jù)雙向傳輸，保證被保護(hù)對象在控制范圍內(nèi)，實現(xiàn)防護(hù)功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主要是由發(fā)射和接收兩大模塊組成，系統(tǒng)基本構(gòu)成如圖1 所示。采用鋰離子電池供電，利用單片機(jī)來控制無線模塊之間的通信。系統(tǒng)啟動后，單片機(jī)向發(fā)射器里寫入地址和數(shù)據(jù)，發(fā)射器開始工作并不斷發(fā)出無線信號；當(dāng)接收器接收到信號，LED 燈亮，同時通知單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)。當(dāng)接收器和發(fā)射器間的距離大于設(shè)定值時，接收器無法收到信號，將會進(jìn)行聲光報警，提示客戶其被保護(hù)對象已離開設(shè)定的距離。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

1.1 發(fā)射模塊

發(fā)射系統(tǒng)主要由處理器、nRF24L01無線通信模塊、人機(jī)接口等部分組成，如圖2所示。處理器采用國外某公司研發(fā)的14 腳的8 位CMOS 單片機(jī)PIC16F616，其中11 個I/O 引腳是多功能，使用時根據(jù)需要進(jìn)行配置，工作電壓范圍為2.0V～5.5V，功耗低，片內(nèi)含有2048個字的可反復(fù)擦寫的程序存儲器和128 字節(jié)的SRAM［1］。設(shè)計時采用4MHz 的石英晶體和2 個22PF 電容組成外部振蕩器；在電源和地附近也需連接不同的電容進(jìn)行去耦和濾波，使得系統(tǒng)具有更好的穩(wěn)定性和時序精度。

圖2 發(fā)射模塊原理圖

nRF24L01 是無線單片收發(fā)一體芯片，工作頻段為2.4GHz～2.5GHz，世界通用。內(nèi)部集成了頻率發(fā)生器、功率放大器、晶體振蕩器、增強(qiáng)型Shock?BurstTM模式控制器等，支持一對多通信，輸出功率、頻道、發(fā)送或接收模式可以通過程序進(jìn)行設(shè)置［2］。有多種低功率工作模式，能實現(xiàn)自動應(yīng)答、自動重發(fā)、地址碼檢測、循環(huán)冗余校驗碼檢測等功能。無線速率可達(dá)到2Mbps，SPI接口速率可達(dá)8Mbps,工作電壓1.9～3.6V，體積小、功耗低，而且所需外圍元件較少，應(yīng)用方便［3］。

人機(jī)接口包括按鍵和LED 燈。按鍵具有多功能，第一次按下，啟動發(fā)射模塊，第二次按下即為關(guān)閉發(fā)射，系統(tǒng)停止工作。LED 燈亮表示系統(tǒng)工作正常，工作過程中LED等滅表示接收端沒接收到數(shù)據(jù)。

1.2 接收模塊

圖3 接收模塊原理圖

接收模塊如圖3所示，主要包含處理器、聲光報警、nRF24L01 無線通信電路等。一旦系統(tǒng)開始工作，根據(jù)配置此模塊中nRF2401 就處于接收狀態(tài)，接收發(fā)射端送過來的數(shù)據(jù)，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時LED燈亮；若系統(tǒng)工作不正?；蚪邮詹坏桨l(fā)送端發(fā)送的信號，則LED 燈滅；若被保護(hù)對象遠(yuǎn)離設(shè)定的距離，則LED燈滅同時蜂鳴器發(fā)出報警信號。

2 通信軟件設(shè)計

本設(shè)計采用單片機(jī)PIC16F616I/O 口模擬SPI的工作時序，與nRF24L01 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和通信控制［4-5］。系統(tǒng)總體工作流程如圖4 所示。系統(tǒng)運行之前在配置模式下對發(fā)送端和接收端的nRF24L01 進(jìn)行相互匹配的初始化配置,接著就可以進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)包為固定的格式：前綴、地址、有效數(shù)據(jù)和校驗位（CRC），發(fā)送時單片機(jī)只向nRF24L01 傳送地址和數(shù)據(jù), 前綴和CRC 會在nRF24L01 芯片內(nèi)部自動加進(jìn)去；接收時,接收端檢測到本機(jī)地址的數(shù)據(jù)包,檢驗正確后會自動移去前綴、地址和CRC，將有效數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)［6-7］。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖

nRF24L01 收發(fā)模式分直接收發(fā)、ShockBurstTM收發(fā)和Enhanced ShockBurstTM收發(fā)三種模式。本設(shè)計采用最后一種收發(fā)模式，因為Enhanced Shock?BurstTM模式可以與低速MCU 配合工作［3］，并要求接收方在收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行應(yīng)答，數(shù)據(jù)丟失后會自動重發(fā)，發(fā)送或接收完畢產(chǎn)生中斷信號通知MCU。此模式下發(fā)送時數(shù)據(jù)從微控制器送入到nRF24L01 片內(nèi)的堆棧區(qū),數(shù)據(jù)打包后即高速(1Mbit/s)發(fā)射,與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號處理都在nRF24L01 片內(nèi)進(jìn)行,這樣不僅節(jié)能、降低成本，而且數(shù)據(jù)在空中停留時間短、增強(qiáng)抗干擾性［6］。

nRF24L01 發(fā)射模塊開始工作時，先初始化，中斷復(fù)位，SPI時鐘禁止，讓CE=0，CSN=0（CSN是芯片使能端）；再進(jìn)行芯片參數(shù)的配置：選擇發(fā)射頻道，發(fā)射功率，數(shù)據(jù)傳輸速率以及低噪聲放大器增益、接收端地址等，然后拉高CE 時間持續(xù)100μs，啟動發(fā)射模塊。MCU 將接收節(jié)點的地址和有效數(shù)據(jù)寫入nRF24L01 中的TX_FIFO。當(dāng)SCK 出現(xiàn)一個下降沿，nRF24L01 會 從MOSI 讀 入1 位 數(shù) 據(jù)，同 時 從MISO 輸出1 位數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)發(fā)送結(jié)束，會自動進(jìn)入接收模式，可配置通道0 接收應(yīng)答信號。若在一定時間內(nèi)收到應(yīng)答，IRQ置低，產(chǎn)生中斷，同時TX_DS=0，通知MCU數(shù)據(jù)已發(fā)送完，此時清除TXFIFO中數(shù)據(jù)，進(jìn)行下一個數(shù)據(jù)的發(fā)送。如果超過等待則會自動重發(fā)。直到收到應(yīng)答或者達(dá)到最大重發(fā)次數(shù)（由SETUP_RETP_ARC 寄存器設(shè)置）。如果重發(fā)次數(shù)超過了這個最大值，會出現(xiàn)MAX_RT 中斷，此時不會清除TXFIFO 中數(shù)據(jù)。MAX_RT 中斷被清除，才會重發(fā)數(shù)據(jù)包。如果達(dá)到自動重發(fā)的次數(shù)，可以選擇重新發(fā)送這個數(shù)據(jù)或者發(fā)送下一個數(shù)據(jù)。無線發(fā)送流程如圖5所示。

圖5 無線發(fā)送流程圖

接收器配置的過程與發(fā)射類似，初始化，配置相關(guān)參數(shù)。為了與發(fā)射區(qū)別，CE 需置高。進(jìn)入接收模式后，若接收到有效的數(shù)據(jù)和地址，會產(chǎn)生中斷同時RX_DR=0，接收完畢后會進(jìn)入發(fā)送模式，向發(fā)送端發(fā)送應(yīng)答信號。本設(shè)計通過改變發(fā)射功率調(diào)節(jié)兩個模塊通信的距離，一般情況下，發(fā)射功率每減少6db，通信距離會縮短1 倍。當(dāng)接收器啟動后接收不到數(shù)據(jù)，會進(jìn)入聲光報警，蜂鳴器發(fā)聲提示保護(hù)對象已離開設(shè)定的范圍。無線接收流程如圖6所示。

圖6 無線接收流程圖

3 結(jié)語

本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)比較簡單、操作方便、體積小、功耗低、便于攜帶和使用。還可通過增加按鍵和相應(yīng)的軟件來調(diào)整安全距離，進(jìn)一步完善系統(tǒng)性能。NRF24L01 支持多點通信，所以本設(shè)計可也適用于外出時貴重物品防丟失、老人或小孩防丟失等。