【正文】 清華大學(xué)2012屆畢業(yè)設(shè)計說明書基于MSP430的無線通信系統(tǒng)設(shè)計摘要本文介紹了一種基于MSP430單片機與NRF24L01的無線通信系統(tǒng)設(shè)計。該系統(tǒng)由單片機系統(tǒng)、NRF24L01無線模塊、電源管理模塊、復(fù)位電路等單元電路組成。該系統(tǒng)所用到的無線收發(fā)系統(tǒng)采用NRF24L01與集成芯片NETUSB2401L構(gòu)成，利用單片機的內(nèi)部ADC12進(jìn)行模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換,應(yīng)用把轉(zhuǎn)換的結(jié)果內(nèi)部DMA暫時存儲在FLASH，通過SPI串口發(fā)送給NRF24L01，NRF24L01收到數(shù)據(jù)后通過無線發(fā)送給NETUSB24L01，在通過終端機進(jìn)行處理分析。它的核心控制器采用體積小，低功耗的單片機MSP430實現(xiàn)。該系統(tǒng)主要應(yīng)用于對于測試環(huán)境復(fù)雜的壓力、溫度等信號實時無線傳輸?shù)浇K端進(jìn)行處理分析。關(guān)鍵詞：單片機MSP430 ，NRF24L2401，無線傳輸 The wireless munication system design based on MSP430AbstractThis article describes a wireless munication system based on MSP430 MCU and NRF24L01 design. The system consists of the SCM system, the nRF24L01 a wireless module, power management module, the reset circuit unit circuit. The system used by the wireless transceiver system uses NRF24L01 and integrated chip NETUSB2401L of position, use of the microcontroller39。s internal ADC12 analog signal and digital signal conversion, the results of the conversion application internal DMA to temporarily store in send nRF24L01 nRF24L01 data received through the wireless send NETUSB2401L through the terminal machine processing and analysis. Its core controller, small size, to achieve lowpower microcontroller MSP430. The system is mainly used in realtime wireless transmission of plex test environment pressure, temperature and other signals to the terminal for processing and analysis. Keywords: SCM the MSP430，NRF24L2401，Wireless transmission 目 錄1 引言 1 1 無限傳輸?shù)膬?yōu)點 2 課題的意義 3 課題的設(shè)計內(nèi)容及優(yōu)勢 32 系統(tǒng)總體方案設(shè)計設(shè)計 5 系統(tǒng)概述 5 整體電路圖 53 硬件電路設(shè)計 7 電源管理電路 7 7 LP2985芯片簡介 7 復(fù)位電路 8 MAX708芯片簡介 8 復(fù)位電路設(shè)計 10 時鐘電路 11 無線模塊電路 11 nRF24L01芯片簡介 11 nRF24L01無線模塊電路 15 NETUSB2401無線模塊介紹 15 單片機控制模塊 16 MSP430的簡介 16 MSP430的功能特性 17 MSP430內(nèi)部ADC12模塊 18 MSP430內(nèi)部AD12介紹 18 ADC12接地和噪聲的考慮 22 MSP430內(nèi)部DMA模塊 234 軟件設(shè)計 275 總結(jié) 32附錄 一：整體電路圖 34附錄 二：系統(tǒng)程序 35參考文獻(xiàn) 49致謝 51第II頁 共Ⅱ頁1引言 無線通信是利用電磁波信號可以在自由空間中傳播的特性進(jìn)行信息交換的一種通信方式，標(biāo)志通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)入了無線領(lǐng)域的新階段。為了能夠區(qū)分不同的信號，通常以信號的頻率來做標(biāo)志，因此在無線通信技術(shù)中頻率是非常重要的資源。世界各國都有相關(guān)的無線電管理部門來負(fù)責(zé)管理本國的無線頻率資源，建設(shè)使用無線通信的網(wǎng)絡(luò)都需要經(jīng)過這些部門的審批，并購買一定范圍頻率資源的使用權(quán)才可以開始運營。惟有如此，才能保證各種使用無線信號的行業(yè)之間不會互相沖突，各自在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)工作。另外在通信中常常需要傳輸?shù)男盘柋旧硎堑皖l率的信號，但為了能夠依照頻率的劃分來區(qū)分各種信號，需要對信號進(jìn)行調(diào)制，把低頻信號通過一定的調(diào)制信號附著在特定的頻率上再發(fā)送到空間中，以避免造成信號間的無序干擾[1]。近些年信息通信領(lǐng)域中，發(fā)展最快、應(yīng)用最廣的就是無線通信技術(shù)。自從MSP430單片機問世以來，就以其體積小、功耗低、控制功能強、擴展靈活、微型化和使用方便等優(yōu)點，廣泛的在智能儀器儀表、工業(yè)控制、家用電器、計算機網(wǎng)絡(luò)、通信領(lǐng)域、以及醫(yī)用設(shè)備等領(lǐng)域都得到了應(yīng)用。在儀器儀表領(lǐng)域，結(jié)合不同的傳感器，可實現(xiàn)諸如電壓、頻率、溫度、流量、速度、壓力、角度等物理量的測量。采用單片機控制使得一起儀表的數(shù)字化、智能化、微型化，且功能比起采用數(shù)字或電子電路更加強大。例如精密的測量設(shè)備功率計、示波器以及分析儀[2]。單片機也可以構(gòu)成形式多樣的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。如工廠流水線的智能化管理、電梯智能化控制、各種報警系統(tǒng)，還可以與計算機聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成二級控制系統(tǒng)等。如今家用電器上基本都有采用單片機控制，從電飯煲、洗衣機、電冰箱、空調(diào)、彩電、其他音箱視頻器材、再到電子天平設(shè)備，可謂五花八門，無所不在[3]。 現(xiàn)在的單片機普遍具備通信接口，可以很方便的與計算機進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，為在計算機網(wǎng)絡(luò)和通信設(shè)備間的應(yīng)用提供了極好的物質(zhì)條件，現(xiàn)在的通信設(shè)備上都基本實現(xiàn)了單片機的智能控制，從手機、電話機、小型程控交換機、樓宇自動通信呼叫系統(tǒng)、列車無線通信、再到日常工作中隨時可見的移動電話、集群移動通信、無線對講機等[4]。單片機在醫(yī)療設(shè)備中的用途亦然很廣泛，例如醫(yī)用呼吸機，各種智能分析儀，監(jiān)護儀，超聲診斷設(shè)備以及病床無線呼叫系統(tǒng)等。對于單片機的應(yīng)用可謂是一種趨勢，并且這種趨勢將更加熱烈，將滲透到各個領(lǐng)域，各個方面。通過對于通信技術(shù)的學(xué)習(xí)，以及簡單的編程語言學(xué)習(xí)，作為一名具備一定基礎(chǔ)知識的大學(xué)生，應(yīng)該在此基礎(chǔ)上學(xué)會對于單片機的基本應(yīng)用，達(dá)到所學(xué)所用的目的。本課題是基于MSP430的無線通信系統(tǒng)設(shè)計，課題響應(yīng)了時代的要求，有重要的現(xiàn)實意義。由于在數(shù)據(jù)采集環(huán)境中，干擾嚴(yán)重，環(huán)境復(fù)雜，有線通信由于布線不合理與電磁干擾等因素的影響，對于數(shù)據(jù)的正確傳輸受到了很大的限制，導(dǎo)致誤碼率低，信號失真嚴(yán)重。為了滿足這個方面的不足，如何應(yīng)用解決本實際要求，開發(fā)一款無線傳輸系統(tǒng)，可對于這些信號進(jìn)行實時的、低誤碼率的傳輸滿足要求十分必要?；诒痉矫娴膽?yīng)用要求，應(yīng)用MSP430單片機進(jìn)行控制與NRF24L01無線傳輸可以實現(xiàn)此目的[1,4]。 無限傳輸?shù)膬?yōu)點1．成本廉價有線通信方式的建立必須架設(shè)電纜，或挖掘電纜溝，因此需要大量的人力和物力；而用無線數(shù)傳電臺建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式則無需架設(shè)電纜或挖掘電纜溝，只需要在每個終端連接無線數(shù)傳電臺和架設(shè)適當(dāng)高度的天線就可以了。相比之下用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，節(jié)省了人力物力，投資是相當(dāng)節(jié)省的。當(dāng)然在一些近距離的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)中，無線的通訊方式并不比有線的方式成本低，但是有時候?qū)嶋H的現(xiàn)場環(huán)境難以布線，客戶根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境的需要還是會選用無線的方式來實現(xiàn)通訊。 2．建設(shè)工程周期短　　 當(dāng)要把相距數(shù)公里到數(shù)十公里距離的遠(yuǎn)程站點相互連接通訊的時候，采用有線的方式，必須架設(shè)長距離的電纜或者挖掘漫長的電纜溝，這個工程周期可能就需要數(shù)個月的時間，而用數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?，只需要架設(shè)適當(dāng)高度的天線，工程周期只需要幾天或者幾周就可以，相比之下，無線的方式可以迅速組建起通信鏈路，工程周期大大縮短。 3．適應(yīng)性好 有線通訊的局限性太大，在遇到一些特殊的應(yīng)用環(huán)境，比如遇到山地、湖泊、林區(qū)等特殊的地理環(huán)境或是移動物體等布線比較困難的應(yīng)用環(huán)境的時候，將對有線網(wǎng)絡(luò)的布線工程有著極強的制約力，而用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將不受這些限制，所以說用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式將比有線通訊有更好的更廣泛的適應(yīng)性，幾乎不受地理環(huán)境限制。 4． 擴展性好 在用戶組建好一個通訊網(wǎng)絡(luò)之后，常常因為系統(tǒng)的需要增加新的設(shè)備。如果采用有線的方式，需要重新的布線，施工比較麻煩，而且還有可能破壞原來的通訊線路，但是如果采用無線數(shù)傳電臺建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式，只需將新增設(shè)備與無線數(shù)傳電臺相連接就可以實現(xiàn)系統(tǒng)的擴充了，相比之下有更好的擴展性。 5． 設(shè)備維護上更容易實現(xiàn)　　 有線通訊鏈路的維護需沿線路檢查，出現(xiàn)故障時，一般很難及時找出故障點，而采用無線數(shù)傳模塊建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸方式只需維護數(shù)傳模塊，出現(xiàn)故障時則能快速找出原因，恢復(fù)線路正常運行[3]。 課題的意義 由于測試環(huán)境的惡劣，一些測量物體的運動，有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟季€困擾，一套系統(tǒng)能滿足這些測試要求，適合于對于復(fù)雜測試環(huán)境的數(shù)據(jù)采集傳輸，顯得十分必要。雖然動態(tài)的壓力數(shù)據(jù)采集可以通過數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)，然而數(shù)據(jù)采集卡開發(fā)成本較高，數(shù)據(jù)的采集也往往受限于某位置，靜止被測物體運動，這在一定程度上為測試帶來了不便，特別是針對于某些運到參數(shù)的測量，如行走、運到等，被測對象因限于測量設(shè)備電源線、數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈L度無法展開運到。目前，無線通信技術(shù)發(fā)展日趨成熟，采用無線通信實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸具有成本低廉、適應(yīng)性好、擴展性好以及開發(fā)周期短等特點，針對于一些運到物體某些參數(shù)的測量不便，以及復(fù)雜的測試環(huán)境現(xiàn)場布線會產(chǎn)生較高的誤碼率，本文提出了一種以MSP430為核心，配以NRF24L01無線模塊傳輸數(shù)據(jù)，既能夠?qū)崿F(xiàn)對被測信號的高速采集，又能夠準(zhǔn)確可靠地將數(shù)據(jù)傳遞給計算機進(jìn)行處理?？梢詫崿F(xiàn)對于一些在一定范圍內(nèi)運動的物體進(jìn)行參數(shù)測量，從而省去了布線帶來的麻煩，還提高了傳輸效率。 課題的設(shè)計內(nèi)容及優(yōu)勢系統(tǒng)的主要功能：對采集的信號通過適配電路轉(zhuǎn)換后，在符合MSP430單片機的接口允許范圍內(nèi)時輸出單片機，用內(nèi)置的ADC12進(jìn)行模擬信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，單片機通過SPI傳輸協(xié)議將處理后的信號發(fā)送給NRF24L01，在NRF24L01再將此信號通過無線發(fā)送到NETUSB24L01，NETUSB24L01無線模塊自帶有控制接收的外圍電路和USB接口，可與計算機直接相連，對信號進(jìn)行實時分析處理，從而了解被測參數(shù)。本課題的優(yōu)勢：采用無線通信，免去了有線傳輸中的高額布線成本和復(fù)雜的抗干擾方案設(shè)計，并且可以測量運動物體的參量，其應(yīng)用靈活。在需要的情況下可以加入CD4501作為多路開關(guān)，實現(xiàn)在于數(shù)據(jù)的多路采集，拓展性強。由于采用的MSP430單片機，其以低功耗，體積小，功能模塊強而突出，使得本通信系統(tǒng)低功耗，減小了對于電源的成本，更多的模塊功能使得對于系統(tǒng)的升級應(yīng)用提供了很大的方便。MSP430單片機是高度集成芯片，采用集成芯片設(shè)計后，對于電路的維護，檢修帶來了很大的方便。2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 系統(tǒng)概述本系統(tǒng)模塊主要由上位機硬件電路和下位機硬件電路組成。其主要功能是完成對采集數(shù)據(jù)的傳輸。上位機硬件電路由計算機應(yīng)用軟件、NETUSB24L01無線模塊組成。NETUSB24L01無線模塊自帶有控制接收的外圍電路和USB接口，可與計算機直接相連。其使用簡單、易與掌握。下位機硬件電路選擇MSP430FG4618作為核心的控制芯片，主要功能是完成模擬信號的采集、接收上位機發(fā)送的無線通訊命令，并能夠?qū)/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量用DMA傳送給FLASH進(jìn)行存儲，通過SPI模式傳遞給nRF24L01，數(shù)據(jù)暫存至TX_FIFO中。SPI串口速率在通信協(xié)議和器件配置時已確定[6～10]。系統(tǒng)框圖如下：MSP430FG4618nRF24L01NETUSB2401L信號適配電路A/DDMA AA計算機串口USB接口 天線天線 系統(tǒng)框圖整體電路圖主要包括NRF24L01無線模塊和MSP430控制模塊。MSP430摸塊電路圖設(shè)計相對而言比較復(fù)雜，其中電源管理電路、時鐘電路和復(fù)位電路，也要考慮到高頻收發(fā)電路布線的注意事項，這是主控電路的重點與難點。其中復(fù)位電路模塊采用MAX708芯片，輸出電壓也比較穩(wěn)定，紋波少。時鐘選擇芯片SG350SCF，作為MSP430的主系統(tǒng)是時鐘，頻率為8M。主控芯片則選擇內(nèi)部資源豐富，低功耗、體積小的MSP430單片機。無線模塊選用NRF24L01無線收發(fā)芯片，其配置比較簡單。整體電路如下： 整體電路圖3 硬件電路設(shè)計 主要由電源管理模塊，復(fù)位電路模塊，時鐘模塊，AD轉(zhuǎn)換模塊，無線模塊，DMA模塊等組成。 電源管理電路，且底層電路功耗很小。電源的設(shè)計的好壞決定了電壓輸出的穩(wěn)定性，從而決定單片機是否能穩(wěn)定工作。，此芯片低噪聲低壓差。為了降低干擾，采用了小電容與地連接[11]。具體電路如圖33： 電壓變換模塊電路圖 LP2985芯片簡介 芯片優(yōu)勢:該芯片有能力提供150mA連續(xù)負(fù)載電流，有過熱保護。有低漏失，低靜態(tài)電流，該穩(wěn)壓器允許使用小，價格低廉的陶瓷電容，降低設(shè)計成本。另外還具有低噪聲，小包裝的優(yōu)勢。結(jié)構(gòu)框圖如下: LP2985結(jié)構(gòu)框圖 MAX708芯