采用nRF24L01和MSP430单片机的射频传输模块设计_单片机模拟射频标签

　　引言 　　在装备保障中需要对装备寿命有清楚的了解，就需要对装备各配套设备进行定期检查，传统的人工巡检和记录信息的方法存在遗漏检查信息、不及时、数据登记复杂易错及后处理繁琐等问题[1]。射频识别(Radio Frequency Identifcation，RFID)技术是一种先进的非接触式自动识别技术，它利用射频信号与空间耦合及传输特性来进行双向通信，实现对物体自动识别与信息采集[2]。
　　针对某型战车随装武器系统复杂、配备较多，传统记录方式难以有效详实地反映各部件寿命状况的现状，本文利用RFID技术构建新型监测系统，代替传统的巡检方法。
　　系统需求与结构设计
　　本系统主要记录战车及配套装备的动用信息，被测量信号主要是开关信号，分为以下两类：
　　(1)工作状态控制信号。工作状态控制信号来自状态转换控制台，是操作员控制战车工作状态的3路开关量。
　　操作员通过状态转换控制台上的状态转换开关可设置战车的3种工作状态，车辆放置不使用时，操作员将开关置于S0，此时3路工作状态控制信号均为高电平无效；车辆工作时，操作员首先将开关置于S1，自动功能检测状态AFT由高电平变为低电平，系统将自动检查工作能力、工作准备情况以及故障情况。若出现故障，红色指示灯发亮；若功能完好，绿色指示灯发亮；红色指示灯发亮时，操作员将开关L置于S2，AFT由低电平变为高电平无效，手动功能检测状态MFT由高电平变为低电平，系统处于自动功能检测状态，操作员要具体确定哪一部分出现故障；绿色指示灯发亮，操作员将开关置于S3，MFT由低电平变为高电平无效，作业目标状态POS由高电平变为低电平，系统处于作业目标状态。
　　工作状态控制信号如图1示。其信号特点是：低电平有效，同一时刻只有一路信号为低电平；逻辑“0”
　　为0 V，逻辑“1”为3.5 V。
　　(2)允许启动信号。允许启动信号来自控制台接口组合，记录为装备的打靶等信息。
　　当控制台接口组合面板上的指示灯1发亮时，说明雷达已经锁定目标，此时从控制台接口组合传来的允许信号ENABLE1由高电平变为低电平，黑匣子定时器开始定时，实时检测启动信号START1是否在60s内由高电平变为低电平，若检测到低电平，说明操作员按下“启动1”按钮的时刻是正确的，否则为误操作。操作员必须在60s内，操作“启动”按钮，产生启动START1信号，进行导弹加电和发射，否则操作无效，雷达开始搜索下一目标。允许信号ENABLE2和启动信号START2，用于控制雷达搜索另一目标，其功能原理与ENABLE1、START1相同。允许和启动信号如图2示，其特点如下：
　　① ALW1和STT1为一组，ALW2和ST2为一组，两组之间相互独立；
　　② 信号幅值：逻辑“0”为0 V，逻辑“1”为3.5 V；
　　③ 四路信号均为低电平有效。
　　根据要求，设计系统结构如图3所示。
　　首先由采集电路采集各路开关量信号，触发微处理器时钟记录时间信息，由发射电路编码后发送，接收电路接收信号并将解码后的信息传送给上位机，MCU通过I2C总线[3]完成对采集过程的控制。
　　硬件设计
　　本设计中，数据采集端与接收端采用相同的单片机作为MCU控制单元，这样减少了电路设计的开发量，并取得很好的兼容性。
　　MSP430单片机与nRF24L01的连接方式
　　M C U选用T I公司新一代基于闪存的超低功耗微处理器MSP430F5438，内含256KB+512B的FLASH和16KB的随机存取数据存储器RAM，可以将驱动及控制nRF24L01的程序写入该闪存，无需外接EPROM，简化了电路设计降低了系统功耗。并有达到4个通用通信接口，支持SPI、I2C通信[4]。
　　射频模块选用一款工作在2.4~2.5GHz通用ISM 频段的单片无线收发器芯片nRF24L01，nRF24L01由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，内部集成NORDIC自己的 Enhanced Short Burst协议，可以实现点对点或是1对6的无线通信，无线通信速度可以达到2Mbps[5]。
　　此次设计主要用到了MSP430F5438两个串口通信模块USART0和USART1，USART0作为UART使用，提供异步通信，通过MAX3232电平转换芯片提供RS-232接口和PC机进行通信[6]，USART1作为SPI使用，提供同步通信，主要是和nRF24L01之间进行命令和数据通信。
　　SPI(Serial Peripheral Interface)总线是由Motorola公司提出的一种同步串行外设接口只需片选CS，串行时钟SCK，串行输入SI，串行输出SO等四条线就可以完成控制器与各种外围器件的通讯[7]。
　　nRF24L01与MCU连接时采用单片机标准的SPI接口，把MSP430F5438的管脚P1.4、P3.0、P1.3、P3.3、P3.2、P3.1配置成通用I/O引脚，分别与nRF24L01的IRQ，CE，CSN，SCK，MOSI，MISO连接，控制nRF24L01的工作方式，连接电路如图4所示。
　　nRF24L01模块电路
　　nRF24L01芯片的VCC脚接电压范围为1.9V~3.6V之间，而MSP430单
　　片机的I/O输出为3.3V，因此I/O口线直接连接即可。VSS配置接地，在XC1、XC2间配置16MHz的外部晶振。射频收发的天线部分使用PCB板天线，用一个4.7μF钽电容并联一个小电容进行去耦。nRF24L01模块电路如图5所示。
　　软件设计
　　系统主要由2个方面的程序控制，包括采集端程序和发送接收程序。由于系统是针对装备使用信息的采集，主要记录装备使用的时间区间；为了降低干扰对射频传输的影响，设计了基于跳频通信的抗干扰程序。
　　采集端程序设计
　　数据采集前端通过传感器检测采集对装备的各项操作产生的开关信号，信号特点是低电平有效，时钟开始计时，检测到高电平信号停止计时，记录时间区间；检测到击发类型信号时记录时间节点。记录完成将结果发送至MCU处理。主程序流程如图 6所示。
　　按照程序模块化设计的思路，设计相应子程序iic_start()、iic_stop()、slave_ACK()、slave_NOACK()、check_ACK()等，分别实现对I2C的启动、中止控制和应答位的发送、中止和检查等功能，进而实现对数据传输过程的控制。
　　基于跳频通信的抗干扰设计
　　对于NRF24L01 的编程主要是通过命令控制线CE、CSN以及中断信号IRQ共同完成的。发射节点在配置完成以后，CE置高，发射节点FIFO中的数据发出；接收节点成功接收到数据，IRQ置低；接收节点自动发射ACK，发射节点收到ACK后IRQ置低，表示发送成功。
　　2.4GHz属于开放的ISM频段，许多系统如WLAN、蓝牙等都共用这一频段，通信可能会受到外界环境较多的干扰[8]，为此，本系统设计了自适应跳频通信方式来降低外界干扰带来的影响。本设计中，拟选用6个频道进行通信，这六个从2.4GHz到2.45GHz，相邻2个信道间隔10MHz，当某个数据频道出现干扰时，将跳到另一个频道中进行通信。
　　为了实现跳频，设计一个与数据频道相关的数据结构，其中设置变量ch_Index表示从站当前使用的数据频道在数据频道数组中的索引，该变量初始化为0(2.4GHz)。数据采集端发送和接收端接收程序流程如图7所示。
　　如果顺利完成通信，采集端的MCU和发射模块进入休眠状态，一直到下一个采集周期的到来。如果没有发送成功并且没有达到最大重发次
　　数，采集终端将重发该帧数据；如果连续重发达到三次上限，修改数据频道索引ch_Index，这样将在另一个频道进行数据通信，完成一次数据频道跳频。
　　c h _ I n d e x值的改变按照0-2-4-1-3-5-0的规律进行，这样跳频后与跳频前的信道频率间隔至少为20MHz，即跳频后的通信频道与受干扰频道拉开了20MHz的频率间距，并且如果该频距仍然无法完全消除干扰的影响，节点会自动又进行一次跳频，进一步拉开与干扰频道的频距。由于干扰通常在一定时间内只在某个频道存在，6个数据频道同时受到干扰的概率较小。因此，该方法可以有效地抵制干扰。
　　实验分析
　　为了检验设备传输特性，在实验室加入2.4GHz的噪声信号，分别在不做跳频和有跳频算法的情况下，进行收发验证。用示波器记录发送波形如图8所示。
　　图8a中黄色信号是发射端CE，绿色信号是发射端IRQ，接收端没有信号回馈，由于达到最大发射次数，CE置高后将近10ms IRQ才置低。证明发送失败。图8b中紫色信号是发射端CE，绿色信号是接收端IRQ，黄色信号是发射端IRQ，可以看出发射端使能CE后，发送端从发出数据到接收ACK之间的时间间隔只有3ms，可以判断出通信成功，验证了跳频方式能够有效抵制干扰。
　　结语
　　本文设计了一个车辆装备动用信息检测系统，给出了系统构成和实现方案。设计了采集端单片机控制的采集装备动用信息的程序和基于跳频通信的通信程序，用来抵制干扰，以顺利完成通信。最后经过实验验证跳频方式能有效抵制干扰，结果显示符合装备应用实际，具有应用价值。
　　参考文献：
　　[1] 安治永,李应红.射频识别系统的关键技术及在物流管理中的应用[J].航空维修与工程.2005,3:50-52
　　[2] 冯海文,付博文.一种基于RFID的安全巡检模型[J].沈阳工业大学学报.2009,31(4):462-465
　　[3] 何立民.I2C总线应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2002
　　[4] Texas Instrument.MSP430F5xx Family User’s Guide[Z].2009
　　[5] 迅通科技.单片2.4G无线射频收发芯片nRF24L01使用指南[Z].2009
　　[6] 曹世华.主动式RFID阅读器与车辆识别系统的设计与实现[D].北京邮电大学,2007
　　[7] 曹傧,王祥,程野.SPI控制器的ASIC设计与实现[J].数字通信,2010,2:94-96
　　[8] 杨剑.基于nRF905的无线射频数据采集系统的开发与实现[D].中南大学,2007