基于MSP430和nRF905的多点无线通讯模块

2019-08-02 16:30发布

本文介绍的无线通讯模块,采用通用的低功耗单片机MSP430作为主芯片,nRF905作为无线收发模块,利用SPI口实现双向通讯,SPI支持高速数据传输,从而满足了射频带宽的要求。nRF905提供了强大的跳频机制以及大量的频道支持,可以用在许多特殊的场合,而且即使利用无增益的PCB天线其传输距离也可达200m,如果需要更远距离的传输,也可以改成带增益的天线,传输距离即可扩大到1千米以上,可满足不同客户的需求。1 系统硬件实现
    无线通讯模块的实现框图如图1所示,除了MSP430和nRF905外,系统还留有MAX232接口可以实现与PC的机通讯,MAX485接口满足一些通用仪器仪表的要求,并提供了按键和液晶等人机交互界面。

2 驱动实现
2.1 MSP430的SPI驱动
    MSP430用标准SPI口和nRF905进行通讯,标准接口包括两根数据线:MOSI(主发从收)和MISO(从发主收),还有时钟线CLK,主机用CLK与从机时钟同步。
    如图2所示,SPI可以理解成双工方式,因为在发送数据的同时也可以接受数据。SPI分成主模式和从模式,从模式完全被动,数据的发送和接受都由主机掌握。实际上参与工作的都有四个寄存器,主机将数据写入发送缓存UTXBUF,数据并行存入发送移位寄存器。数据一旦写入UTXBUF,立即从MOSI线移位到从机的接受移位缓存,而从机移位缓存中的数据又将其发送移位寄存器中数据,通过MISO移位到主机的接受移位寄存器,再并行读入接受缓存中。所以利用SPI同时进行读写操作。

图2 430 SPI示意图
2.2 nRF905的驱动
    nRF905共有32个引脚,其中有10个引脚尤其需要我们注意:和主MCU通讯的SPI接口的四个引脚,数据线MOSI、MISO,时钟线SCK、使能线,其中CSN可以接到一个IO口控制芯片工作,而其它三个脚则接到主MCU的SPI接口上;主MCU的控制线有三个引脚,控制低功耗的PWRUP,控制正常工作的TX_EN,选择发送还是接受方式的TRX_CE,这几个引脚都接到主MCU的通用IO口;nRF905的反馈线有三根,检测到频道正被使用的CD(carrier detected),通知接受地址正确的AM(addreSS matched),告诉MCU数据接受正确的DR(data received),这几个引脚需要接到主MCU的中断引脚上,当接收数据正确时以中断方式通知主MCU。
    nRF905与MSP430接口如图3所示,其中MOSI、MISO、SCK分别与主机SPI口对应,CSN、TRX_CE、PWR_UP、TX_EN接通用IO口,而CD、AM、DR接中断口,430的P2口都是复用的中断口,这样收到数据可以用中断及时通知430。

图3 硬件接口

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13条回答
51xlf
1楼-- · 2019-08-02 16:39
2.2.1 寄存器操作
(1)寄存器介绍
    对nRF905操作主要是对其寄存器进行操作,主要有四个寄存器,即配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接受数据寄存器,每次发送数据时将对方地址写入发送地址寄存器中,将不超过32 byte的数据写入发送数据寄存器即可 而各节点地址在配置寄存器设置,接受的数据则自动放入接受数据寄存器中。
(2)操作寄存器
    nRF905控制信号线CSN的下降沿使能寄存器,如果希望对某个寄存器进行操作的时候,首先需要将CSN引脚置低。905提供了特殊的命令字来支持对寄存器的操作,比如写配置寄存器的命令字为(WC)0000 XXXX,读配置寄存器的命令字为(RC)0001XXXX,其中XXXX为起始地址。当操作某个寄存器时,先写入该寄存器的命令字,即可对其操作。
2.2.2 设置频道和频段
    nRF905最吸引人的一个特点就是提供跳频支持,以及拥有大量的频道可使用。nRF905可以在433/868/915频段进行通讯,其实868和915属于同一频段,即主要分两大频段,而每一频段又有29个频道可以使用,但实际上针对不同的天线,只有一个频段可以让芯片发挥最好的功能,所以一种天线有29频道使用。当在某个频道上遇到干扰时,可以跳频来继续通讯,确保数据完整性。配置寄存器提供了CH_NO和HFREQ_PLL来设置频道,公式为:
f=(422.4+(CH_NO/10))×(1+HFREQ_PLL)MHZ
    nRF905提供了一个专门的命令字来支持快速跳频,这样在通讯过程中可以迅速实现跳频,从而在不影响通讯速度的情况下,完成通讯。
2.2.3 发送数据流程
     设置好配置寄存器后,就可以发送数据了.我们先给出具体的时序图,再解释具体流程。
时序图如下:

图4发送时序图
①主MCU将PWR_UP置高,使905进入工作模式,再将TX_EN置高进入发送数据模式。
②将发送地址通过SPI口写入发送地址寄存器TX_ADDRESS,再将数据写入发送数据寄存器TX_PAYLOAD,SPI口的速度由主MCU设置。
③主MCU置高TRX_CE,905自动将数据帧格式补齐,加入包头Preamble,并根据寄存器设置计算CRC校验填人包尾,然后905将整个数据以100 bit/s的速度,采用曼彻斯特编码,以GFSK形式发送出去,发送完毕,DR会置高,通知主MCU可以继续下次发送。
④如果配置成自动重发模式,nRF905会自动重发,直到TRX_CE置低。
⑤发送完后可以将TRX CE置低,这样就进入standby模式,实际操作时可以直接将TRX_CE产生脉冲,持续时间不少于10us,就可以发送完数据。
  发送数据流程图如图5所示:

图5发送数据流程图
2.2.4接受数据流程
    下面我们讨论如何接受数据,同样先给出时序图如图6,再解释流程。

①主MCU将TX_EN置高、TRX_CE置低,过650 us后,则进入接受模式。
②nRF905监控频道使用状况,如果发现频道被占用,则将CD置高,可以利用该特性采取一些冲突避免检测机制,发送数据前如果检测到CD信号,则可以随机延迟一段时间再发送数据,该特性可以有效地避免数据冲突。
51xlf
2楼-- · 2019-08-02 20:11
 精彩回答 2  元偷偷看……
51xlf
3楼-- · 2019-08-02 22:38
3.2 控制频道
    控制频道用于各节点交换路由信息、握手信息等。由于握手信息和路由信息相对大块的数据信息而言很小,所以各节点占用控制频道的时间相对较少,这在很大程度上避免了控制频道上的数据冲突。但是由于控制频道为所有节点所共用,必须采用冲突避免协议,本文采用了IEE802.11b的CSMA/CA机制,即每次发送数据都要等到频道空闲,再用“二进制指数退避算法 随机延时一段时间,当延时时间到再发送数据,这样就有效地避免了同频道下的数据冲突。同时考虑到隐藏节点、暴露节点等问题,我们采用了RTS/CTS/BROAD机制,如果节点A需要
发送数据到节点B,则先发送RTS并携带自己的数据频道列表信息,节点B收到RTS后,对比自己的频道列表选择一个共用的空闲频道返回RTS,并跳人该频道等待数据的到来。节点A收到CTS后再携带使用频道信息发送BROAD,然后跳入数据频道开始与节点B进行数据通讯。而其他节点收到CTS、BROAD后及时登记频道列表信息,方便下次数据传输时直接查询,该信息会随着系统晶振不断更新,这样各节点所维护的频道都是当前频道使用的状况。
3.3 数据频道
    与共用的控制频道不同,当双方节点都处于数据频道时相当于建立了专用通道,此时不用采取CSMA/CA机制,我们采用确认机制、重发机制和跳频机制来确保数据准确无误的传输。通讯流程基本采用DATA+ACK形式,即发送完DATA等待ACK,接受到DATA则发送ACK确认。如果
ACK不正确或没收到ACK则重发,如果该频道不能使用则进行跳频。跳频需要双方协调进行,具有一定的复杂性,这里具体解释一下跳频机制。
    图9为发送端跳频示意图,当发送端受干扰,即发送端可以发送数据,但接受不到数据,当误码率高达上限时,发送端发送CHG并携带将跳至的频道值hop,然后跳人备用数据频道hop中,再发送CHECK,等待握手信息。而接受端收到CHG后,从中提取出hop信息,再跳至该hop,当接受到CHECK时,再发送验证信息CHECK。自此,收发双方握手完毕,接着在新的频道中继续通讯。

    图10为接受端跳频示意图,当接受端受干扰或者收发双方都收到干扰,这时接受端收不到来自发送方的控制信息CHG,只能完全依靠误码率信息,此时同步尤为重要。由于双方误码率同时增加,当依次达到上限时,可以依次跳人备用频道继续通讯。由于存在重发和延时机制,双方并不需要同时跳入备用频道,系统具有一定的容错性。每个数据频道组有两个备用频道,如果三个频道都不能使用,则此次通讯就失败了。但是通常一定时间内干扰只在某个频段存在,只要将三个数据频道拉开一段频距,即可有效地抵制干扰。
4 总结
    文中无线多点收发模块在MSP430和nRF905的基础上,实现了物理层驱动和基于Ad Hoc网络的MAC层协议,但没有提供网络层路由协议。物理层点对点通讯确保了数据传输的可靠性。MAC协议确保同时传输数据时避免冲突。在测试中,我们网络层采用鱼眼算法,用15个节点动态组网并互传信息,在该体制下信息可以同时发送相互之间没有干扰。该模块可以很好的运用在一些抄表系统、遥控系统、以及机器人控制中。
vivilzb1985
4楼-- · 2019-08-02 22:54
很好的设计方案,我收下了
KKermit
5楼-- · 2019-08-03 03:33
学习了
yuchl
6楼-- · 2019-08-03 08:27
学习了!

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