作者：鄭州威科姆公司 張曉健  李偉  張小雨

    摘要:闡述在低功耗應用中，利用MSP430和nRF905組成一種無線數據傳輸系統的設計方案。首先對核心芯片的選型和要害使用方法進行簡單說明，然后介紹系統硬件和軟件的設計，其中著重介紹如何對nRF905進行控制，并給出相關程序源代碼。

    要害詞:無線數據傳輸低功耗MSP430nRF905

    在非凡環境的數據測控應用中，無線數據傳輸已經越來越廣泛地被運用。

    MSP430+nRF905的組合非凡適合于低功耗、短距離(1OO～200m)、小數據量的無線數傳系統。MSP430CPU在低功耗應用方面有很大優勢，nRF905無線收發芯片具有功耗低、控制簡單、可自動處理字頭和CRC校驗的優點，兩者結合組成的數傳系統可以在很多產品中得到應用。

    1  MSP430簡介

    MSP430是TI公司新推出的16位系列單片機，在電池供電的低功耗應用中具有獨特的優勢。其工作電壓在1.8～3．6V之間，正常工作時功耗可控制在2OOμA左右，低功耗模式時可實現2μA甚至O．1μA的低功耗。MSP430具有非常高的集成度，通常在單個芯片上集成有12位的A／D、比較器、多個定時器、片內USART、看門狗、片內振蕩器、大量的I／O端口及大容量的片內存儲器，一般單片就可以滿足大多數的應用需要。在低功耗應用中設計程序時，最好采用以下方法：CPU在初始化完成后，處于低功耗工作模式，在有外部事件發生時喚醒進入中斷服務程序，完成后重新進入低功耗模式，照此循環往復，可以最大限度地降低功耗。較差等。上述問題經過精心設計是可以避免和解決的，所以基于GPRS的設計仍具有無可比擬的優勢。

    2  nRF905簡介

    nRF905是挪威Nordik公司推出的單片射頻收發器芯片，工作電壓為1．9～3．6V，32引腳QFN封裝(5mm×5mm)，工作于433／868／915 MHz 3個ISM頻道(可以免費使用)。nRF905可以自動完成處理字頭和CRC(循環冗余碼校驗)的工作，可由片內硬件自動完成曼徹斯特編碼／解碼，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。其功耗非常低，以一10 dBm的輸出功率發射時電流只有11 mA，在接收模式時電流為12．5 mA。nRF905傳輸數據時為非實時方式，即發送端發出數據，接收端收到后先暫存于芯片存儲器內，外面的MCU可以在需要時再到芯片中去取。nRF905一次的數據傳輸量最多為32 B。

    2.1nRF905的工作模式及設置

    nRF905有兩種工作模式和兩種節能模式，分別為掉電模式、待機模式、ShockBurstTM接收模式和Shock—BurstTM發送模式。這幾種模式由外界CPU通過控制nRF905的3個引腳PWR_UP、TRX_CE和TX_EN的高低電平來決定，如表1所列。

    外界MCU通過SPI總線配置nRF905的內部寄存器，讀寫數據時必須把其置為待機或掉電模式。nRF905在待機模式時功耗為40,μA，在掉電模式時功耗為2．5μA。

    2.2nRF905的狀態輸出

    nRF905有3個引腳用于狀態輸出，分別是：CD(載波檢測)、AM(地址匹配)和DR(數據就緒)，均為高電平有效。nRF905在處于接收模式時，若檢測到接收頻率段的載波，就置CD為高；接著檢測載波數據中的地址字節，若與本身已配置的接收地址相同，則置AM為高；若再檢測到接收數據中的CRC校驗正確，則存儲有效數據字節，置DR為高。

    此外，nRF905還有一個時鐘輸出引腳uPCLK，供用戶選擇使用。通過配置內部寄存器，可改變其頻率輸出，這一點在調試時很有用。無線系統至少需要一發一收兩個設備，調試時若出現問題很難判定是哪一方的故障?？梢酝ㄟ^修改nRF905的寄存器，用示波器觀察uPCLK輸出是否變化的方法，來判定其硬件電路和CPU操作nRF905的程序是否正確，從而判定該設備是否工作正常。

    2.3nRF905的數據接口

    外圍MCU通過SPI總線配置nRF905的內部寄存器和收發數據。nRF905的SPI總線包括4個引腳：CSN(SPI使能)、SCK(SPI時鐘)、MISO(主人從出)和MOSI(主出從人)。這里nRF905為從機，其SPI的時鐘范圍很寬，可以從1Hz～10MFIz，因此MCU在寫控制程序時不必苛求時間的準確度。

    SPI總線的每次操作都必須在使能引腳CSN的下降沿開始，CSN低電平有效，總線上的數據在時鐘的上升沿有效。MCU對SPI總線的操作不外乎兩種方式：讀和寫。在進行讀操作時，先把CSN置低，然后在MOSI數據線上輸出一個表示讀命令的字節，與此同時，nRF905會在MISO數據線上輸出一字節表示狀態信息的數據，隨后輸出一地址字節，后面跟隨有效數據。在進行寫操作時比較簡單，MCU先把CSN拉低，然后在MOSI線上輸出寫命令字節和數據字節即可。

    2.4nRF905的寄存器配置

    nRF905內部有5類寄存器：一是射頻配置寄存器，共10個字節，包括中心頻點、無線發送功率配置、接收靈敏度、收發數據的有效字節數、接收地址配置等重要信息；二是發送數據寄存器，共32字節，MCU要向外發的數據就需要寫在這里；三是發送地址，共4個字節，一對收發設備要正常通信，就需要發送端的發送地址與接收端的接收地址配置相同；四是接收數據寄存器，共32字節，nRF905接收到的有效數據就存儲在這些寄存器中，MCU可以在需要時到這里讀取；五是狀態寄存器，1個字節，含有地址匹配和數據就緒的信息，一般不用。

    MCU若要操作這些寄存器，需遵循nRF905規定的操作命令，常用的有以下7種，都是1個字節：寫射頻配置(OXH，“X”含4位二進制位，該字節表示要開始寫的初始字節數)、讀射頻配置(1XH，“X”含4位二進制位，該字節表示要從哪個字節開始讀)、寫發送數據(20H)、讀發送數據(2lH)、寫發送地址(22H)、讀發送地址(23H)和讀接收數據(24H)。關于寄存器的具體信息可以參閱nRF905的數據手冊。

    2．5nRF905的工作過程

    nRF905在正常工作前應由MCU先根據需要寫好配置寄存罨，或是按照默認配置工作。其后的工作主要是兩個：發送數據和接收數據。

    發送數據時，MCU應先把nRF、905置于待機模式(PWR_UP引腳為高、TRX_CE引腳為低)，然后通過SPI總線把發送地址和待發送的數據都寫入相應的寄存器中，之后把nRF905置于發送模式(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高)，數據就會自動通過天線發送出去。若射頻配置寄存器中的自動重發位(AuTO_RETRAN)設為有效，數據包就會重復不斷地一直向外發，直到MCU把TRX_CE拉低，退出發送模式為止。為了數據更可靠地傳輸，建議多使用此種方式。

    接收數據時，MCU先在nRF905的待機模式中把射頻配置寄存器中的接收地址寫好，然后置其于接收模式(PWR_UP=1、TRX_CE=1、TX_EN=O)，nRF905就會自動接收空中的載波。若收到地址匹配和校驗正確的有效數據，DR引腳會自動置高，MCU在檢測到這個信號后，可以改其為待機模式，通過SPI總線從接收數據寄存器中讀出有效數據。

    3  系統硬件設計

    MSP43O的USART模塊可通過寄存器配置為通用異步串行口或SPI模塊功能，這里配置為SPI模塊。本系統選用的MCU是MSP430F133，在硬件設計時把MCU的SPI接口和nRF905的SPI接口相連即可，另外再選幾個I／O口連接aRF905的輸入輸出信號，如圖1所示。

    對于初次接觸無線系統的設計者，因其射頻部分的元件采購、焊接和調試比較麻煩，可以選用PTR8000模塊。該模塊內核使用nRF905，硬件電路已經焊好，使用起來相對方便一些。

    4  控制程序設計

    本系統設計的重點是控制nRF905的程序設計，大致分兩個階段：首先是對nRF905進行初始配置，配置完成后按需要編寫數據的發送或接收程序。

    4.1初始化配置

    第一階段應完成初始化配置，分以下幾項：

    ①MSP430的SPI接口設置。MSP430的異步串行接口和SPI接口用同一個uSART模塊，這里需要用軟件配置為SPI功能。本設計中SPI配置為主機模式、3線制和8位數據。程序源代碼參見子程序“SPI_SET”。(編者注：程序源代碼見本刊網站www．mesnet．com．cn。)

    ②初始化nRF905的射頻配置寄存器。這些寄存器中有很多信息，必須根據實際情況進行配置，本設計中nRF905外接16MHz晶體，“XOF”應配置為“011”；“PA_PWR”為發射功率，”RX_RED_PWR”為接收靈敏度，可根據需要配置；另外還有發送地址、接收地址、發送數據和接收數據的長度(字節數)，可根據實際應用配置。注重這組寄存器中還有接收時的實際地址，而發送地址在其他單獨寄存器中。

    ③配置nRF905的發送地址，最多4個字節(32位)，發送端的發送地址應與接收端設備的接收地址相同。在實際工作中，nRF905可以自動濾除地址不相同的數據，只有地址匹配且校驗正確的數據才會被接收，并存儲在接收數據寄存器中。

    4.2發送數據

    使nRF905發送數據前，需要MSP430通過SPI總線在待機模式下先把待發數據填進發送數據寄存器中，一次最多32B。然后把nRF905的“TRX_CE”、“TX_EN”引腳都置為高電平，數據就會自動發送出去。本設計在射頻配置寄存器中選定了自動重發位，因此在“TRX_CE”被置高的時間內數據一直在重復不斷地發。本程序中設計延時500ms，之后拉低“TRX_CE”引腳，回到待機模式。

    4.3接收數據

    MSP30把nRF905的“TRX_CE”引腳置為高電平，“TX_EN”引腳拉為低電平后，就開始接收數據。本設計中CPU在設定的35s內一直判定nRF905的“DR”引腳是否變高，若為高，則證實接收到了有效數據，可以退出接收模式，若一直沒有接收到，待時間到時也退出接收模式。退出后在待機模式，CPU通過SPI總線把nRF905內部的接收數據寄存器中的數據讀出，即接收到的有效數據。編寫接收部分程序時，有一點應該注重，很多資料中都沒有提到，就是CPU在“M0SI”信號線上發出讀命令字節后，在“MISO)”信號線上nRF905會自動返回一字節數據，為本身的狀態寄存器信息，后續的接收數據并不會自動跟著輸出，只有CPU在“MOSI”上再輸出一個字節(可以是隨意值)，nRF905才會在“MISO”上返回一個字節，CPU再發，nRF905再返回，直到讀完為止。