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基于nRF24E1的嵌入式2.4GHz無線接入系統(tǒng)

云知道

作者：吳釗炯 ;張瑩 ;劉新朝
1; 概述
在短距離的通信中 ， 無線技術(shù)被普遍看好 ， 其中射頻技術(shù)因?yàn)楣牡秃蜔o方向性等優(yōu)點(diǎn)而受到青睞 。
通信頻率為2.4GHz的頻段是全球開放的ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻段 ， 使用者無需申請(qǐng)?jiān)S可證 ， 給開發(fā)者和用戶帶來了很大方便；同時(shí) ， 可以有效地避免低頻段信號(hào)、各類電火花及家用電器的干擾 。因?yàn)檫@一頻段具有這些優(yōu)點(diǎn) ， 其他的一些應(yīng)用 ， 如藍(lán)牙、WLAN ， 也是在這一頻段；但藍(lán)牙和WLAN對(duì)于工業(yè)控制、醫(yī)療傳感器、住宅和樓宇自動(dòng)化裝置等設(shè)備來說 ， 過于復(fù)雜 ， 其成本也過高 ， 很難滿足快速開發(fā)和低成本的要求 。因此 ， 目前迫切需要一種低成本、低功耗、能夠快速開發(fā)應(yīng)用的方案 ， 來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的無線連接 。
另一方面 ， 經(jīng)過多年的發(fā)展 ， TCP/IP協(xié)議已經(jīng)成為目前被廣泛應(yīng)用于Internet的通信協(xié)議 。在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議棧 ， 利用Internet進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送 ， 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)視和控制 。
在嵌入式TCP/IP平臺(tái)下利用工作頻率為2.4GHz的無線收發(fā)模塊nRF24E1 ， 進(jìn)行短距離的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線通信；用無線技術(shù)解決最后10m的通信問題 ， 可實(shí)現(xiàn)一種無線接入的解決方案 。
2; nRF24E1及其通信協(xié)議
2.1nRF24E1模塊的基本特性
nRF24E1是北歐集成電路公司(Nordic)推出的一款帶8051內(nèi)核的無線收發(fā)模塊 ， 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示 。該模塊的無線收發(fā)器工作于2.4GHz的ISM頻段 ， 有多達(dá)125個(gè)的頻點(diǎn) ， 可通過改頻和跳頻來避免干擾 。nRF24E1的集成度非常高 ， 內(nèi)部集成了增強(qiáng)型8051內(nèi)核,2.4GHz無線收發(fā)器,100ksps的9路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ， UART接口 ， SPI接口 ， PWM輸出 ， 內(nèi)置RC振蕩器、看門狗和喚醒定時(shí)器以及專門的穩(wěn)壓電路 。所有高頻元件包括電感、振蕩器等 ， 全部集成在芯片內(nèi)部 ， 因此芯片的性能穩(wěn)定 ， 受外界環(huán)境的影響很小 。
nRF24E1采用36腳QFN(6mm×6mm)封裝 ， 最大傳輸速率可達(dá)1Mb/s ， 靈敏度為一90 dBm ， 最大發(fā)射功率為O dBm；在較為理想的環(huán)境中 ， 室內(nèi)傳輸距離可達(dá)30～40 m ， 室外傳輸距離可達(dá)100～200 m；其工作電壓為1.9～3.3 V ， 工作溫度范圍為一40～ 80℃ 。
2.2nRF24E1之間的通信協(xié)議
nRF24E1的無線數(shù)據(jù)包格式為
其中 ， Preamble是前導(dǎo)碼 ， 是硬件自動(dòng)加上去的；ADDR是發(fā)送的地址 ， 為32～40位；PAYLOAD是有效數(shù)據(jù)；CRC是CRC校驗(yàn)和 ， 由內(nèi)置CRC糾檢錯(cuò)硬件電路自動(dòng)加上 ， 可設(shè)為O、8或16位 。ADDR、PAYLOAD和CRC的總長度最大為256位 ， 因此 ， 設(shè)置較短的地址和校驗(yàn)和能提高傳輸效率 ， 但也使得可靠性降低 。
nRF24E1通過軟件設(shè)置收發(fā)模式、收發(fā)頻率、接收地址、發(fā)射功率、CRC校驗(yàn)和的長度、有效數(shù)據(jù)的長度等 。無線收發(fā)器有2個(gè)頻道：頻道1可以接收和發(fā)送；頻道2只能接收 ， 且頻道2的接收頻率總比頻道1高8MHz；同時(shí) ， 每個(gè)芯片可以設(shè)置2個(gè)地址 。收發(fā)頻率和地址隨時(shí)都可以通過軟件更改 ， 實(shí)現(xiàn)改頻和跳頻；但是 ， 必須通過通信協(xié)議解決好 ， 一致的頻率和正確的地址才是數(shù)據(jù)傳送的前提 。只有地址符合且校驗(yàn)和正確的包 ， 才能被進(jìn)一步處理；若有一項(xiàng)不正確 ， 整個(gè)數(shù)據(jù)包就被硬件自動(dòng)丟棄 。若地址與校驗(yàn)和相符 ， 則由硬件產(chǎn)生中斷DRl或DR2 ， 8051才能將數(shù)據(jù)接收到緩沖區(qū) 。
在同一時(shí)刻 ， nRF24E1只能處于接收或發(fā)送模式中的一種 。一般以接收模式為待機(jī)狀態(tài) 。
【基于nRF24E1的嵌入式2.4GHz無線接入系統(tǒng)】 3; 無線接入解決方案
系統(tǒng)的解決方案示意圖如圖2所示 。
nRF24E1主機(jī)是無線系統(tǒng)的要害部分 。它不但作為接入點(diǎn) ， 負(fù)責(zé)與嵌入式TCP/IP模塊交換數(shù)據(jù) ， 同時(shí)也負(fù)責(zé)與其他無線模塊通信 。

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