基于nRF24E1的嵌入式2.4GHz无线接入系统

单片机及嵌入式系统应用  作者：吴钊炯 张莹 刘新朝

1 概 述
    在短距离的通信中，无线技术被普遍看好，其中射频技术因为功耗低和无方向性等优点而受到青睐。通信频率为2.4 GHz的频段是开放的ISM(工业、科学和医学)频段，使用者无需申请许可证，给开发者和用户带来了很大方便；同时，可以有效地避免低频段信号、各类电火花及家用电器的干扰。因为这一频段具有这些优点，其他的一些应用，如蓝牙、WLAN，也是在这一频段；但蓝牙和WLAN对于工业控制、医疗传感器、住宅和楼宇自动化装置等设备来说，过于复杂，其成本也过高，很难满足快速开发和低成本的要求。因此，目前迫切需要一种低成本、低功耗、能够快速开发应用的方案，来实现设备的无线连接。
    另一方面，经过多年的发展，TCP/IP协议已经成为目前被广泛应用于Internet的通信协议。在嵌入式系统中实现TCP／IP协议栈，利用Internet进行远程数据传送，可以实现对远端设备运行状态的监视和控制。
    在嵌入式TCP/IP平台下利用工作频率为2.4 GHz的无线收发模块nRF24E1，进行短距离的点对多点的无线通信；用无线技术解决10 m的通信问题，可实现一种无线接入的解决方案。

2 nRF24E1及其通信协议
2.1 nRF24E1模块的基本特性
    nRF24E1是北欧集成电路公司(Nordic)推出的一款带8051内核的无线收发模块。该模块的无线收发器工作于2.4 GHz的ISM频段，有多达125个的频点，可通过改频和跳频来避免干扰。nRF24E1的集成度非常高，内部集成了增强型8051内核,2.4 GHz无线收发器,100 ksps的9路10位模数转换器，UART接口，SPI接口，PWM输出，内置RC振荡器、看门狗和唤醒定时器以及专门的稳压电路。所有高频元件包括电感、振荡器等，全部集成在芯片内部，因此芯片的性能稳定，受外界环境的影响很小。
    nRF24E1采用36脚QFN(6 mm×6 mm)封装，传输速率可达1 Mb/s，灵敏度为一90 dBm，发射功率为O dBm；在较为理想的环境中，室内传输距离可达30～40 m，室外传输距离可达100～200 m；其工作电压为1.9～3.3 V，工作温度范围为一40～+80℃。
2.2 nRF24E1之间的通信协议
    nRF24E1的无线数据包格式为

    其中，Preamble是前导码，是硬件自动加上去的；ADDR是发送的地址，为32～40位；PAYLOAD是有效数据；CRC是CRC校验和，由内置CRC纠检错硬件电路自动加上，可设为O、8或16位。ADDR、PAYLOAD和CRC的总长度为256位，因此，设置较短的地址和校验和能提高传输效率，但也使得可靠性降低。 
    nRF24E1通过软件设置收发模式、收发频率、接收地址、发射功率、CRC校验和的长度、有效数据的长度等。无线收发器有2个频道：频道1可以接收和发送；频道2只能接收，且频道2的接收频率总比频道1高8 MHz；同时，每个芯片可以设置2个地址。收发频率和地址随时都可以通过软件更改，实现改频和跳频；但是，必须通过通信协议解决好，一致的频率和正确的地址才是数据传送的前提。只有地址符合且校验和正确的包，才能被进一步处理；若有一项不正确，整个数据包就被硬件自动丢弃。若地址与校验和相符，则由硬件产生中断DRl或DR2，8051才能将数据接收到缓冲区。
    在同一时刻，nRF24E1只能处于接收或发送模式中的一种。一般以接收模式为待机状态。

3 无线接入解决方案

    nRF24E1主机是无线系统的关键部分。它不但作为接入点，负责与嵌入式TCP/IP模块交换数据，同时也负责与其他无线模块通信。
    为实现Internet网络互联，使用以太网控制芯片RTL8019AS，并将TCP/IP协议栈嵌入在ATmegal28的内部。除此之外，ATmegal28内部还实现了一个小型通用的Web Server，而远端的PC就作为客户端。
    数据的传送过程是远端PC通过Internet发送数据，由RTL8019AS接收数据包，再由ATmegal28对TCP/lP数据包进行处理，得到PC发送的信息，AT-megal28再将数据通过SPI接口传送到nRF24E1主机。nRF24E1主机根据内部协议又将数据传给相应的nRF24E1从机，再由nRF24E1从机对各自的设备进行通信或控制。nRF24E1从机给远端PC传送数据为反向的过程。

4 接入系统的控制及其实现
4．1 无线系统的控制方法
    将所有的nRF24E1模块都设置为同一频率，通过设置不同的地址来区分各个无线模块。为了避免多个从机同时给主机发送数据产生冲突，主机不但要作为接入点，同时要控制整个无线系统，避免冲突。
    系统采用主机轮询，从机应答的方法，即主机按照一定的规则，给从机发送一个允许从机发送数据的标志。该标志相当于一个令牌，从机若有数据发送，得到令牌后，可在令牌的有效时间内连续地发送多帧数据。当然，也可以设置只能发送1帧数据，数据发送完毕后必须有一个结束的信号END标志；如果从机没有数据发送，也必须给主机返回END标志，从机的回应可以让主机判断与该从机的通信链路是否正常。
    主机对无线系统的控制主要是通过令牌来实现的，因此主机对从机的令牌是否有效的判断是其中的关键，而且必须考虑足够的容错性能。可以通过两个方法来判断和控制令牌的有效时间：一是从机收到令牌到返回END标志的时间内令牌为有效，而主机根据从机返回的END标志即可判断该从机的令牌已经失效；二是规定令牌的有效时间，从机收到令牌后开始计时，达到规定的时间后，令牌自动失效，主机也通过计时来判断从机的令牌是否失效。这两个方法同时起作用。个方法可以提高系统效率，避免在空闲的链路上消耗过多的时间，使系统的品质得到提高；而设置时间是为了限制一个从机占用通信链路的时间，也可以防止丢失END标志甚至通信链路不正常所产生的错误，尽量减少不正常的链路对系统其他部分的影响。
    当然，主机不仅可以采用轮询的方法，也可以根据各个从机的通信优先级不同来分配令牌，而且每个从机令牌的有效时间也可以不一样。从机必须在令牌的有效时间内才能给主机发送数据，每一时刻只有一个从机的令牌有效，以避免冲突。主机要发送数据，必须先查询从机的令牌是否有效。若令牌有效，还必须等从机的END标志到来后，或者时间超过了令牌的有效时间，且这时所有从机的令牌都见效，主机才可以发送数据。
4.2 系统的实现
    nRF24E1主机不但要与ATmegal28通信，还要与其他nRF24E1从机通信；同时，还要控制整个无线系统。因此，nRF24E1主机是整个无线接人系统的关键，它能否高效地运行，关系到整个系统的效率。
    nRF24E1主机在正常情况下的运行流程。主机在令牌发出去以后，就只能处于无线接收的状态，直到从机的令牌无效后才能进行与ATmegal28的通信或者给从机发送数据。

nRF24E1从机的通信任务要简单得多，另外还有各自的应用。可以用nRF24E1的I/O端口直接控制设备，也可以连接其他MCU实现其他功能。
    由于nRF24E1内置了增强型8051控制器，使nRF24E1成为一种集无线数据接收和发送于一体，以及对数据进行处理的片上系统(SoC)，并且有模拟输入和PWM输出，因此，不但可以作为无线接口实现无线数据传送，在一些较为简单的控制系统中，可以用它作为控制，无需另接MCU。这使得nRF24E1的应用系统更为简化，大大增强了无线系统的稳定性和可靠性；同时，也使得开发变得简单，成本进一步降低。 
    在一些较为复杂的系统中，由于nRF24E1的端口有限，只有256字节的RAM空间，805l的处理能力也不是很强。在这样的系统中，可通过连接功能更为强大的MCU，让MCU进行处理。应用中，采用了ATmegal28，而nRF24E1只作为无线通信的接口，将数据通过UART或SPI接口传送到Atmegal28，让Atmegal28进行较为复杂的运算和处理。
    ATmegal28与nRF24E1的SPI接口电路图。nRF24E1为SPI的主机，ATmegal28为从机。通过SPI接口可使nRF24El与ATmegal28的通信速率达到2 Mbps，因此，传输的速度可以满足大多数场合的应用。

本系统可以应用于数据采集系统、信息家电的无线通信接口、住宅和楼宇自动化装置以及工业自动化的无线连接等场合。上述方案已经在数据采集系统上得到应用，很方便地实现了设备间的无线连接；而且对原有模块的改动很少，开发时间较短，系统的稳定性很好。
结 语
    蓝牙工作在2．4 GHz频段，但由于其芯片的成本一直居高不下，产品很难开发，因此到目前为止，蓝牙的产品还是很少。另外，市场尚未出现非蓝牙不可的应用 需求，蓝牙的一些市场定位能够轻易地被其他更的产 品所取代。nRF24E1就是以较低的价格和较容易应用开 发等优势来代替一些领域的蓝牙应用，为一些只需要简单 的无线连接的应用领域，提供一种低成本、低功耗、能够快 速开发应用的方案，以实现无线连接。另外，在嵌入式系 统中实现TCP/IP协议栈，利用Internet进行数据的远程 传送；而在本地端采用嵌入式的2.4 GHz无线接入技术， 将这两者结合起来，具有一定的先进性和广阔的应用前景。

参考文献:

[1]. nRF24E1 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/nRF24E1_1085635.html.
[2]. RTL8019AS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RTL8019AS_1096173.html.
[3]. 805l datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/805l_2246002.html.