基于nRF24L01和STM32L152RD超低功耗无线通信系统

　　随着科学技术水平的不断提高，传统的有线通信因自身的局限性已越来越不能满足人们的需要，无线通信技术得到了快速发展。如今出现了种类众多的无线通信技术，目前比较热门的有WiFi、蓝牙、UWB、ZigBee、Nordic nRF以及TI公司的SimpliciTI等。不同无线通信技术在成本、功耗、传输速率、使用频段、功能方面有很大区别，针对不同的需求要选择适合的无线技术。

　　针对便携式设备的低成本、低功耗要求，蓝牙和WiFi功耗相对较大，UWB规范尚不统一且芯片价格高，Zigbee的传输速率受限仅250 kbit/s，SimpliciTI则受TI公司硬件平台限制。综合考虑各个因素，本系统采用了NordicSemiconductor公司2.4 GHz低成本高性能的nRF24L01无线射频芯片，由低功耗ARM系列STM32L152RD微处理器控制，实现短距离无线数据通信。nRF24L01不仅可以提供一个真正的超低功耗解决方案，而且也拥有优良的共存性，其载波监测功能保证了在WLAN干扰下的可靠通信。高速的频率切换时间减少了与蓝牙等跳频系统出现互相干扰的可能。

　　1硬件设计

　　系统的设计思路是在满足高速传输数据的同时尽可能的降低功耗，故在MCU与无线芯片的选型上侧重于性能和功耗的平衡。系统硬件部分采用模块化的设计思想，主要由供电模块，nRF24L01射频模块和微控制器模块组成。其中供电模块根据实际需求方案很多，本文就不详细叙述了。

　　1.1 nRF24L01射频模块

　　nRF24L01是由Nordic Semiconductor公司出品的GF-SK单片式收发芯片，工作于2.4~2.5 GHz的世界通用（ISM）频段，传输速率可达2 Mbit/s。芯片包括频率发生器、功率放大器、增强型SchockBurstTM模式控制器、晶振和调制解调器。发射功率和频道选择等工作参数可以通过SPI接口进行设置。增强型ShockBurstTM功能使软件设计更为简单，集成了双向通信所需要的链路层，而通常这些功能需要一个高速的MCU和大空间的存储器和高的电源消耗来实现。nRF24L01及外部接口如图1所示。

　

　　1.2微控制器模块

　　STM32L152RD基于高品质的ARM Cortex-M3内核，融合了高性能和超低功耗的特性，内置高速存储器，工作频率为32 MHz。它采用了优化的节能架构与0.13μm的STMicroelectronics超低漏电生产工艺，此外，为了实现超低功耗，STM32L152RD还划分了6种工作模式，使其在任何设定时间内都能以最低的功耗完成任务。STM32控制器的SPI（串行外设接口）允许芯片与外部设备以全双工或者半双工、同步、串行方式通信，可用于多种用途，包括使用一条双向数据线的双线单工同步传输，还可使用CRC校验的可靠通信。

　　通常SPI通过4个管脚与外部器件相连。MISO：主设备输入/从设备输出管脚，该管脚在从模式下发送数据，在主模式下接收数据;MOSI：主设备输出/从设备输入管脚，该管脚在主模式下发送数据，在从模式下接收数据;SCK：串口时钟，作为主设备的输出，从设备的输入;NSS：从设备选择。这是一个可选的管脚，用来选择主/从设备。

　　系统除了使用MCU这4个管脚与无线模块相连，还通过PA0管脚控制nRF24L01的片选端CE，PB0管脚控制中断响应。图2是微控制器模块STM32L152RD与nRF24L01的接口电路原理图。

　　2软件设计

　　nRF24L01无线射频芯片内置的链路层使软件设计更为简单，系统进行无线通信无须配置复杂的通信协议，只需编程配置好射频芯片与MCU的SPI通信接口，然后在发送时将有效数据放入TX缓冲区，芯片将把地址信息和TX缓冲区的有效数据与内部自行产生的数据头、标志位和CRC校验码等信息结合起来进行数据打包并发送出去。表1给出增强型的ShockBurstTM模式的数据包。整个系统的软件设计部分分为初始化操作、配置发送模式、配置接收模式、配置中断4部分。

　　

　　2.1初始化操作

　　无线射频芯片nRF24L01要进行无线通信，首先要对MCU的时钟，MCU的SPI通信口和nRF24L01进行初始化操作［5］。MCU时钟和SPI接口初始化部分STM32L152RD的芯片资料很详细，在此就不详细叙述了。nRF24L01的初始化主要包括地址、应答方式、工作频率、数据长度、发射速率、中断响应等参数的配置。nRF24L01初始化操作的流程图如图3所示。

　　2.2配置发送模式

　　nRF24L01配置为增强型的ShockBurstTM发送模式，当MCU有数据要发送nRF24L01就会启动Shock-BurstTM模式，自动生成数据头、标志位和CRC校验码并发送数据。数据发送完毕后将转到接收模式并等待接收端的ACK应答信号。如果没有收到ACK应答信号，则认为数据丢失，nRF24L01将循环重发数据包，直到收到ACK或重发次数超过重发寄存器中设置的值为止。如果数据重发次数超过了初始设定值，则会产生数据溢出导致IRQ中断。当收到ACK应答信号时，nRF24L01就认为最后一包数据已经发送成功，TX_FIFO寄存器中的数据被清除并产生IRQ中断通知MCU。MCU根据任务需求控制nRF24L01进入发送模式，接收模式或待机模式。发送模式流程如图4所示。

　　配置发送模式代码如下：

　　void nRF24L01_TxPacket（unsigned char*tx_buf）

　　{

　　NRF24L01_MODE_CE_0（）;SPI_Write_Buf（WRITE_REG1+RX_ADDR_P0，TX_ADDRESS，TX_ADR_WIDTH）;//写入接收地址

　　SPI_Write_Buf（WR_TX_PLOAD，tx_buf，TX_PLOAD_WIDTH）;//写入//要发送的数据

　　SPI_RW_Reg（WRITE_REG1+CONFIG，0x0e）;//IRQ中断，16位CRC

　　NRF24L01_MODE_CE_1（）;//CE置1，激发增强型的ShockBurstTM

　　发送模式

　　Delay_us（20）;//注意延迟值不能太低

　　}