于 樂 蘇新彥 姚金杰
(中北大學 太原 030051)
有線傳輸的傳輸距離受局限導致無線傳輸越來越受人們的青睞,隨之而來的是應用領域越來越廣,諸如:遙控遙測、生物信號采集、機器人控制、環境監測等。凡是布線繁雜或不允許布線的場合都希望通過無線方案來解決[1]。本文介紹的是將無線傳輸運用到水環境中,將采集到的水聲信號無線傳輸給上位機。由于本設計僅僅將傳感器放入水中,節點置于水面上,所以不需要考慮射頻信號被衰減的情況。本系統采用Nordic 公司的射頻芯片nRF24L01,超低功耗單片機MSP430F1611 作為主控芯片控制射頻芯片以實現無線水聲信號的傳輸。
nRF24L01 是一款工作在2.4 ~2.5 GHz 世界通用ISM 頻段的單片無線收發器芯片。nRF24L01 無線收發芯片普遍用于無線門禁、工業傳感器、無線數據傳輸系統中[2]。輸出功率、頻道選擇和協議的設置可以通過SPI接口進行設置。工作速率0 ~2 Mb/s,外圍元件極少。
該芯片的封裝規格為6mm ×6mm ×0.8mm,36腳QFN6 ×6 封裝,RF 發射電流10.5mA,接收電流19mA[3]。它的主要特點如下:
(1)低工作電壓:1.9 ~3.6 V 低電壓工作;
(2)高速率:2 Mbps,由于空中傳輸時間很短,極大地降低了無線傳輸中的碰撞現象;
(3)多頻點:125 個頻點,滿足多點通信和跳頻通信需要;
(4)超小型:體積小巧,5 mm×5 mm;
(5)低功耗:當工作在應答模式通信時,快速地控制傳輸及啟動時間,極大地降低了電流消耗;
(6)低應用成本:nRF24L01 的SPI接口可以利用單片機的硬件SPI口連接或用單片機I/O 口進行模擬,內部有FIFO 可以與各種高低速微處理器接口,便于使用低成本單片機[4]。
nRF24L01 有20 個引腳,其引腳及其功能如表1所示[5]。
表1 nRF24L01 引腳功能
MSP430F1611 主要特點有:
(3)5 種省電模式;
(4)從等待方式喚醒時間:6μs;
(5)16 位RISC 結構,125ns 指令周期;
(6)12 位A/D 帶采樣保持內部參考源;
(2)
(7)雙12 位D/A 同步轉換;
(8)16 位定時器Timer_A 和Timer_B[6]。
無線傳輸主要是由單片機MSP430F1611 控制射頻芯片nRF24L01 實現的。此單片機將很多外圍模塊都整合到片內,適合用于開發和設計單片系統。如圖1所示為單片機MSP430F1611 與射頻芯片nRF24L01 的電路原理圖。
圖1 電路原理圖
如圖1 所述,nRF24L01 與MSP430F1611 主要通過6 個引腳相連:CSN(SPI的使能端);CE(數據發射、接收的使能端);MOSI(SPI數據主出從入端);SCK(SPI時鐘輸入);MISO(SPI數據主入從出端);IRQ(中斷輸出)。TDO/TDI連接一個S 來控制發送或接收模式。MSP430 的控制指令從nRF24L01 的MOSI引腳輸入,nRF24L01 的狀態和數據信息從MISO 引腳輸出送到MSP430。每個指令使用前CSN 需為低,使用后變為高。
本設計先將單片機設定到低功耗3,將nRF24L01 設定為先睡眠后喚醒的工作方式。首先先初始化MSP430F1611 的時鐘、定時器和SPI口,中斷喚醒nRF24L01 后,初始化nRF24L01,然后判斷TDO/TDI引腳是否為高電平,從而決定是否發射數據,若為發射模式,單片機就把數據發送給nRF24L01,當IRQ 為低電平時就讀取數據。如圖2所示為系統軟件設計流程圖。
本設計接入相應的傳感器、采集模塊和上位機等之后,在水中使用設備發聲,通過本設計的無線傳輸,將水聲信號傳輸到上位機上,使上位機采集到數據,通過Matlab 軟件對存儲的數據進行仿真,如圖3所示為Matlab 對其中一組數據仿真出的原始水聲信號波形圖。
圖2 軟件設計流程圖
然后對原始的水聲信號進行一些處理,如圖4所示為截取了一部分的水聲信號,如圖5所示為整流濾波后的圖形,如圖6所示為包絡檢波的圖形。
圖3 原始水聲信號
圖4 截取的部分水聲信號
圖5 整流濾波后圖形
圖6 包絡檢波圖形
本設計通單片機MSP430F1611 對射頻芯片nRF24L01 的控制,實現了無線水聲信號的傳輸。通過Matlab 軟件對采集到的數據進行仿真,證實了此設計的無線傳輸效果。
[1]陳麗娟,常丹華.基于nRF2401 的無線數據通信[J].電子器件,2006,(29)1:248-250.
[2]李澤坤.基于nRF2401 的無線網絡節點設計與實現[D].南昌航空大學,2013.
[3]韋積慧.基于nRF2401 的無線網絡設計與實現[D].吉林大學,2012.
[4]劉志平,趙國良.基于nRF24L01 的近距離無線數據傳輸[J].應用科技,2008,35(3):55-58.
[5]訊通科技,2.4GHz 單片高速2Mbps 無線收發芯片[M].北京:北京航空航天大學,2007.
[6]沈建華,楊艷琴,翟驍曙.MSP430 系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2004:24-25.