基于nRF2401的工程机械仪表显示无线通信平台的设计

摘 要： 针对大型工程机械各类信号与驾驶操控室仪表异地显示的通信问题，提出了基于射频收发器nRF2401实现无线数据通信的设计方案，详细介绍了射频芯片nRF2401的工作原理及特点， 并给出了无线通信平台硬件结构、接口电路及相应程序框图。经过测试，该通信平台上通信速率高、质量好，空旷处的传输距离可达100 m。

　　随着射频无线通信技术的迅速发展，对大型工程机械驾驶操控室仪表显示采用无线通信的信号传输方式，可有效消除线缆传输固有的弊端，保证信号传输的质量和可靠性。本文提出一种以超低功耗16 bit微控制器MSP430F149和射频无线收发器nRF2401为核心的无线通信平台，实现了大型工程机械驾驶操控室仪表显示信号的无线传输，并完成了平台系统的设计与实现。

　　1 系统结构及工作原理

　　系统结构及原理框图如图1所示。

　　系统由发射机和接收机组成。发射机和接收机的无线模块为射频无线收发器nRF2401，并均能工作在收发状态，采用半双工方式通信，通过按键中断实现模块收发方式的转换，并在LCD上实时显示收发器的工作状态。发射机主要完成现场各类仪表信号的数据采集及A/D转换、存储、软件抗干扰和标度转换处理、数据发送、LCD显示系统状态控制以及控制指令接收等功能；接收机则主要实现现场数据接收、LCD显示仪表参数控制、向发射机传送控制命令等工作。此外，发射机和接收机的控制单元配置有标准的RS-232接口，可以很方便地把各类数据传送到PC机上进行分析处理。

　　2 通信系统硬件设计

　　发射机和接收机的控制单元所采用的MCU器件皆为TI公司的16 bit高性能微控制器MSP430F149芯片。该芯片具有超低功耗、运算速度快、存储容量大、高性能模拟模式及丰富的片内外设、JATG接口和在线编程等显着优点。系统无线通信模块为Nordic公司生产的单片集成射频无线收发器nRF2401芯片，工作频率范围为全球开放的2.4 GHz频段，可自适应125个频道，具有功耗低、通信速率高、通信质量稳定可靠、软件配置工作参数、外围电路简单、应用灵活、成本低廉、开发周期短等优点。应用该芯片实现无线通信是一种具备较高性价比的解决方案。

　　2.1 nRF2401收发器工作原理

　　nRF2401芯片采用5 mm×5 mm QFN封装，芯片内置地址解码器、时钟、解调处理器、先进先出堆栈区、GFSK滤波器、CRC处理器、低噪声放大器、频率合成器和功率放大器等功能模块，并具有1.9 V～3.6 V宽工作电压，以-5 dBm功率发射时，工作电流为10.5 mA，接收时工作电流为18 mA。

　　2401工作原理可概括为：2种通信方式、1个配置字、2个通道和4种工作模式。

　　两种通信方式为ShockBurstTM(突发模式)和Direct Mode(直接模式)。在ShockBurstTM方式下，由2401自动处理数据包字头、地址和CRC校验码，数据包由MCU低速送入片内的FIFO区，由2401高速发出，数据传输速率最高达1 Mb/s，这种方式抗干扰性能强并且节能；Direct Mode方式时，如传统射频收发器一样，数据包字头、地址和CRC校验码必须在通信程序中处理。

　　2401内置状态字寄存器，其功能为设置芯片的工作参数配置字。配置字由CS、CLK1和DATA 3线接口写入，包括芯片收发状态、接收频道地址位数和地址、通道选择、传输速率、晶振频率、发射功率、工作频率、CRC纠校验等参数，最多可有144 bit，前24 bit为系统保留位，其余120 bit由程序设置。在ShockBurstTM方式下配置字为15 B，Direct Mode方式下配置字为2 B。

　　2401具有DuoCeiverTM技术，为接收提供了2个独立的专用数字信道，即通道1(CLK1、DR1和DATA)和通道2(CLK2、DR2和DOUT2)，后者只接收数据，可代替两个单独的接收系统。通过一个天线接口即可同时接收两组数据，但接收通道2的频率必须比通道1的频率高出8 MHz以上时，才能正常接收。

　　2401具备4种工作模式，由PWR_UP、CE和CS 3个引脚信号决定，表1给出了工作模式与引脚信号的对应关系。

　　2401上电工作时，首先置为配置模式，由初始化程序写入配置字，配置字的最后1位指定2401收发状态；然后由控制器输出信号将CE引脚置为高电平，2401进入收发模式工作，通过指定通道收发数据，收发双方交互时一方可进入空闲模式，待全部数据传送完毕时进入关机模式。

　　2.2 通信系统硬件逻辑电路

　　图2为系统的控制芯片MSP430F149与无线模块nRF2401的硬件逻辑电路。由于MSP430F149只有P1和P2口具有中断控制功能，故将F149的P2口P2.0～P2.7分别接2401的CE、DR2、CLK2、DOUT2、CS、DR1、CLK1和DATA引脚，P5.7接PWR_UP。

2401的工作电压为3 V，由图2可知2401应用电路只需少量的外围元件。在设计过程中，天线可以选用PCB内置，也可以