基于nRF2401的工程机械仪表显示无线通信平台的设计

使用单鞭天线和环形天线。本系统使用外置天线，SMA接头。传输距离在100 m左右，可满足大型工程机械仪表通信距离要求。

　　系统外围电路部分设计较简单，MSP430F149的P6口为指定A/D口，现场采集的仪表传感器信号经整形放大输入F149的P6端口进行A/D转换；P3、P4、P5口为普通I/O口，因此要合理利用I/O口；F149的P4和P5端口接液晶显示器YJD12864，控制LCD实时显示；P1端口接键盘，2401的收发状态由按键中断设定。

　　3 系统软件设计

　　系统软件是在IAR Embedded Workbench平台上开发的C代码程序，采用模块化结构。发射机程序包括数据采集、无线数据发送、实时显示以及与PC机通信等模块；接收机程序包括无线数据接收、地址和CRC校验、仪表参数实时显示以及与PC机通信等模块。此外，发射机和接收机软件留有收发命令接口，以备系统扩展工程操作遥控功能。本文主要讨论无线数据传输模块。

　　无线通信模块主要完成nRF2401初始化和无线数据收发功能。

　　2401初始化主要是写入配置字，由CS片选引脚控制, CLK1引脚提供串行时钟，通过DATA数据位引脚串行写入配置字。2401工作在ShockBurstTM方式下，配置字包括数据宽度、地址宽度、地址、CRC校验码和解码四部分。

　　2401数据包通信协议格式由PRE-AMBLE＋ADDRESS＋PAYLOAD＋CRC项组成。其中：PRE-AMBLE为8 bit前导码，由硬件自动加入；ADDRESS为32 bit发送地址码；PAYLOAD为208 bit的发送数据；CRC是由内置纠检错硬件电路自动加上的校验和，可设为0、8或16 bit。除去前导码，本系统设置数据包长度为256 bit(32 B)，其中：数据宽度208 bit、地址宽度32 bit、CRC码16 bit。

　　根据通信协议设定2401接收端配置字为：

　　0x00.d000.0000.0000.00cc.cccc.cc83.4f05；

　　发送端配置字为：0x00.ff00.0000.0000.00cc.

　　cccc.cc83.4f04。配置后2401以ShockBurstTM模式进行单通道接收，通道1地址为0xcccc.cccc，通信速率250 kb/s，晶振频率16 MHz，输出功率0 dBm，工作频率2 402 MHz。

　　通信系统发送和接收程序流程图如图3所示。

　　通信程序开始时，首先对MSP430F149、A/D、YJD12864、nRF2401初始化并等待按键中断，系统分别设置收、发和空闲键，当按键闭合产生中断后分别进入对应的中断服务程序，完成数据包的传送。2401的CE端由MCU 的P2.0引脚控制。发送程序开始时写入2401发送配置字，再置CE端为高，2401进入发送模式，通道1地址和发送数据由P2.7(DATA)引脚依次写入2401的缓冲区， 2401自动加上字头、CRC校验码将数据包以250 kb/s的通信速率发射出去。发送程序可以连续发送数据包直到按下接收键或空闲键退出发送程序返回。当按下接收键时进入接收程序，首先写入2401接收配置字，当CE端置高时2401进入接收模式，延时202 ?滋s后开始接收数据包，当正确接收数据包后，2401自动除去前导码、地址和CRC校验码并将数据送缓冲区，同时DR1输出高电平通知MCU读取数据，微控制器从P2.7引脚逐位移出数据后，DR1输出低电平，接收数据包结束。接收程序亦可以连续接收数据包直到按下发送键或空闲键退出接收程序返回。

　　4 实验结果及结论

　　由于MSP430F149内置高精度12 bit 8通道A/D转换器，数据转换精度可达。本系统使用其中1路通道采集油箱油量数据。为保证数据采样的精度，数据采集程序采用算术平均值数字滤波，对采样信号进行平滑加工以提高系统可靠性。经实验测试A/D转换精度满足要求。

　　本系统在室内走道和室外开阔地对2401发射功率为0 dB、-5 dB、-10 dB、-20 dB的4个档位进行了点对点数据传输实验，测试数据传输距离和误码率，系统供电分别为稳压电源和干电池。室内走道传输距离为70 m，在无高大建筑物吸收和干扰的室外开阔地，传输距离可达100 m左右。由于nRF2401芯片内置了CRC纠错电路和协议，所以数据传输的可靠性高。实验中，凡在可接收到数据的情形下，未出现接收数据出错的现象。由于稳压电源提供的电压、电流稳定，能够提高接收信号的质量和距离。

本文提出的基于射频收发芯片nRF2401实现工程机械仪表异地显示的无线通信方案，实现了大型工程机械驾驶操控室仪表显示无线通信的信号传输，可消除目前线缆传输固有的弊端，有效保证信号传输的质量和可靠性。由于本系统为低功耗设计，使用两节5号干电池即可保证长期工作。经测试，在100 m左右的通信距离内，该无线传输系统能够稳定地实现数据的有效传输，具有低功耗、抗干扰能力强、易携带等优点。目前拟在QY50B型汽车起重机和BBS5280JXFJP18型举高喷射消防车上试用。此外，本系统的发射机和接收机均能工作在收发方式，并预留多种接口，方便扩展功