【正文】 正是由于老師和同學對我的幫助和支持，我才能克服一個一個困難和疑惑，直至本文的順利完成。從課題的選擇到項目的最終完成，都始終給予我細心的指導和不懈的支持。 27 致謝 本課題及學位論文是在 劉家磊 老師的親切關懷和悉心指導下完成的。體會到理論知識對實踐有很大的指導作用，只有在正確理論的指引下才能設計出合乎實際需要的硬件電路。另外此設計還可以做一些擴展，如更換 LED為LCD，顯示更復雜的數(shù)據(jù)，更換 NRF24L01通信模塊的天線為 高增益天線，可以是無線通信的距離大大的增加。 26 結論 本設計采用 ATMEGA48單片機與無線通信模塊 NRF24L01組建的無線發(fā)射和接收的通信系統(tǒng)，發(fā)射板通過按鍵發(fā)射簡單數(shù)據(jù)，接收板接收并通過 LED顯示。 這個通信距離與數(shù)據(jù)手冊上的說明相差較大， 主要是因為在設計過程中考慮到成本問題，無線通信模塊 NRF24L01采用的內(nèi)置天線， 但此距離在室內(nèi)已足夠用了， 當然，如果采用高增益天線，將能有效提高通信距離 。 在 測試 中發(fā)現(xiàn)，當有人員走 動或其他信號出現(xiàn)的時候，通信的距離會變得不穩(wěn)定，這是由于天線是一個輻射器件，在其附近的物質(zhì)或尺寸的任何改變都會影響天線的性能，包括輻射增益分布、天線阻抗和調(diào)諧等等 。 由于無線通信環(huán)境的不確定性，各種環(huán)境下的傳輸效果是不盡相同的，路徑損耗、建筑物影響、人體影響、外界干擾、多徑現(xiàn)象和周圍環(huán)境的吸收等都會對傳輸?shù)木嚯x產(chǎn)生一定的影響，只能在一個給定的條件下進行測試和評估．因此，分別選擇了不同的 場地 來進行測試。//標志清零 return(RX_pload)。//接收中斷 SPI_RW_Reg （ WRITE_REG +STATUS， MASK_IRQ_FLAGS） 。 uint8 nRf24l01_receive_data(void) { while(IRQ_Source!=RX_DR)。//清除中斷 } (2)接收數(shù)據(jù) 當 nRF24L01模塊配置成接收模式后，在接收到數(shù)據(jù)中斷發(fā)生時，從接收 FIFO讀取數(shù)據(jù)。發(fā)送 8 Byte的程序如下： void nRf24l01_send_data(uint8*data) { SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD,data,8)。 NRF24L01配置接收數(shù)據(jù)： 在配置為接收數(shù)據(jù)時， nRF24L01接收到數(shù)據(jù)包后，由硬件解析地址數(shù)據(jù)和信息數(shù)據(jù)，當接收到有效信息數(shù)據(jù)后，在 IRQ引腳產(chǎn)生中斷，并通知外部處理器讀取數(shù)據(jù)。即可判斷是發(fā)送完成中斷。則表示發(fā)送失敗，器件自動重新發(fā)送，如果重新發(fā)送的次數(shù)超過在 ARC_CNT寄存器中的設定值時，會在 IRQ引腳產(chǎn)生重發(fā)次數(shù)超限中斷。 軟件設計總體流程圖主要分為發(fā) 送 端流程圖和接收端流程圖， 具體 流程圖如 附錄 C所示。接收端 ATMEGA48完成初始化后．把 nRF24L01配置成 PRX工作模式。若從按鍵模塊接收到數(shù)據(jù)．則啟動 nRF24L01發(fā)送數(shù)據(jù)。其中主要操作有 ATMEGA48的初始化， NRF24L01模式的配置， NRF24L01傳送和接收數(shù)據(jù)，NRF24L01發(fā)送錯誤處理等等。 測試是一個必不可少的環(huán)節(jié)，測試的目的是為了發(fā)現(xiàn)錯誤，進而分析出錯誤的原因，沒有發(fā)現(xiàn)錯誤的測試也是有意義的測試。 本設計采用軟件方法去抖動，當檢測到有鍵按下時，執(zhí)行一個 10ms 左右的延時程序后，再確認該鍵電平是否仍保持在閉合狀態(tài)電平， 若仍保持在閉合狀態(tài)電平，則確認該鍵處于閉合狀態(tài)；同理，在檢測到該鍵抬起后，也應采用相同的步驟進行確認，從而可消除抖動的影響。即按鍵一次按下或抬起被錯誤地認為是多次按鍵動作，這種情況是不允許出現(xiàn)的。 機械式按鍵在按下或抬起時，由于機械彈性作用的影響，通常伴隨一定時間的觸點機械抖動，然后其觸點才穩(wěn)定下來，抖動的時間長短與開關的機械特性有關，一般為 510ms。 鍵盤通常使用機械觸電式按鍵開關，其主要功能是把機械上的通斷轉換為電氣上的邏輯關系。 按鍵開關去抖動 鍵盤是人與微機打交道的主要設備，按鍵的讀取容易引起誤動作。 S1S7 鍵發(fā)射一次 ,接收板上面 LED閃爍一次，代表接收到數(shù)據(jù)一次。設計用 八 個鍵。 0 模式錯誤未發(fā)生； 1 模式錯誤發(fā)生。當讀取 SPI控制狀態(tài)寄存器緊接著向 SPI控制寄存器寫 1時，該標志位自動清零。 MODF： SPI模式錯誤標志位。 SPTEF： SPI傳輸空中斷標志位。在數(shù)據(jù)傳輸過程中， SPIF將在第 8個 SCK周期后被置位，可通 過讀 SPISR寄存器和 SPI數(shù)據(jù)寄存器 SPIDR，清除 SPIF位。程 序可以通過讀取 SPISR寄存器各位的數(shù)據(jù)檢查各位的狀態(tài)，也可以通過特定的寄存器訪問序列將標志位清零。對該寄存器進行讀操作時所訪問的輸入部分是雙 緩沖的，但寫操作則直接將數(shù)據(jù)送到串行移位寄存器。 SPPR2～ SPPR0和 SPR2～ SPR0確定 SPI的波特率。 表 5 SPI波特率選擇寄存器 SPIBR 20 SPPR2～ SPPR0： SPI波特率預選擇位。 0 正常工作 (MISO、 MOSl)； 1 雙工模式工作 表 4 SPI的工作模式 (3) SPI波特率選擇寄存器 SPIBR SPI的波特率即 SPI系統(tǒng)工作時鐘 SCK的頻率由 SPIBR的 SPPR2～ SPPR0和 SPR2～ SPR0來確定。 SPC0：串行引腳控制位 (Serial PinContr01)。 在等待模式下，使用節(jié)電功能。 0 輸出緩沖使能； 1 輸出緩沖無效。 BIDIROE：在雙工模式下輸出使能位。當 SPI工作從機模式時，不管 MODFEN位為何值， SS引腳僅輸入有效。如果MODF標志置位， MODFEN清零并不能清零 MODF標志。 表 2 SS輸入 /輸出選擇 (2) SPI 控制寄存器 2— SPICR2 表 3 SPI 控制寄存器 2— SPICR2 19 MODFEN：模式故障功能使能位 。 LSBFE： LSB 在先使能位 (LSBFirstEnableBit)。 SSOE：隨從選擇輸出使能位。該位用于 SCK串行時鐘的移位。 0 時鐘選擇高電平激活， SCK 閑置為低電 平 ； 1 時鐘選擇低電平激活， SCK 閑置為高電平。該位選擇 SPI 反相或不反相。 0 隨從模式； 1 主控模式。 0 SPIEF 中斷禁止； 1 SPIEF 中斷使能。 SPTIE： SPI 數(shù)據(jù) 傳輸中斷使能。 SPE： SPI 系統(tǒng)使能位 (SPISystemEnable)。每次 SPISR 中 SPIF或 MODF 標志置位時，發(fā)出硬件中斷請求。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蛲ㄟ^ SPICR2 寄存器的 BIDIROE 位來設 置 。當 SPI 控制寄存器 SPICR2 的 SPC0＝ l 時， SPI系統(tǒng)工作在雙 工模式下。從機通過由主機產(chǎn)生的串行時鐘 (SCLK)與主機同步進行數(shù)據(jù)的讀 /寫；即從 MOSI 口讀人數(shù)據(jù)，從 MISO 口輸出數(shù)據(jù)。在從機模式下，串行時鐘 (SCLK)由主機產(chǎn)生，從機 SPI 的 SCK 引腳作為輸入口。 從機模式。如果此時 SPI 的移位寄存器為空，則數(shù)據(jù)立即被傳送到移位寄存器，數(shù)據(jù)在串行時鐘 (SCK)的控制下從 MOSI 引腳串行移出，傳送到從機設備。在主機模式下，串行時鐘 (SCK)由 S12 內(nèi)部時鐘分頻得到，用來同步主從雙方的移位寄存器。 SPI 工作模式 SPI 的工作模式主要有 3 種：主機模式、從機模式和雙工模式。 6. 從 SPDR中讀取從機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并向 SPSR的 SPIF 位寫“ 1”清除標志。將 SS 設置為高電平，其它引腳任意； 3. 將 SS 引腳設置為低電平以通知從機準備進行數(shù)據(jù)交換； 4. 將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入 SPDR 寄存器，觸發(fā)一次通訊。將所有需要輸出信號的 GPIO 設置為電平輸出模式。沒有寫入緩沖。該數(shù)據(jù)寄存器中有一個讀取緩沖，系統(tǒng)每完成一個字節(jié)的移位通訊就會自動將接收的數(shù)據(jù)復制到讀取緩沖中，該數(shù)據(jù)直到下次通訊完成前都是有效的。在 SPI 模塊的內(nèi)部有一個 8 位移位數(shù)據(jù)寄存器 SPDR，用于保存用戶需要發(fā)送的字節(jié)；同時通過通訊接收到的數(shù)據(jù)也保存在該寄存器中。一個典型的 SPI 接口通常由一根同步時鐘信號線 SCK、一根主機發(fā)送從機接收的數(shù)據(jù)線 MOSI、一根從機發(fā)送主機接收的數(shù)據(jù)線 MISO 和一根（或若干）用于主從機通訊同步控制信號線 SS（或片選 CS 信號）組成，如下圖所示： 圖 47 SPI 典型總線 ATMEGA48 單 片機上集成了硬件 SPI 模塊。在 CSN 為低的情況下， CE 協(xié)同 NRF24L01 的 CONFIG 寄 存器共同決定 NRF24L01 的狀態(tài) 。無線通信過程中 MCU 主要是通過 IRQ 與 NRF24L01 進行通信。 MOSI：芯片控制數(shù)據(jù)線（ Master output slave input） 。 SCK：芯片控制的時鐘線（ SPI 時鐘） 。 ATMEGA48 芯片與 NRF24L01 無線模塊連接電路設計 電路連接圖如下 : 15 圖 45 AVR48 與 NRF24L01 電路連接圖 本設計采用 6線插槽實現(xiàn)單片機 ATMEGA48 與 NRF24L01 的連接，具體連接如上圖所示， 從 單片機控制的角度來看，我們只需關注 NRF24L01 的 六個控制和數(shù)據(jù)信號，分別為 CSN、 SCK、 MISO、 MOSI、 IRQ、 CE。 LED 顯示模塊功能比較簡單，主要負責顯示發(fā)射端發(fā)過來的 數(shù)據(jù)，用一個發(fā)光二極管就可以表示出來，和單片機的 PB7 口相連 。 其引腳電路圖如下所示： 圖 42 AVR 引腳圖 按鍵模塊：按鍵模塊主要有 8 個按鍵組成，分別控制接收板 LED的顯示，其電路圖如下所示： 圖 43 按鍵模塊電路圖 14 電源模塊： 電源模塊主要有 2 節(jié) 7 號電池和電池夾構成，可以提供 3V 電源，直接供 ATMEGA48 單片機直接使用，不用進行電壓轉換。 單片機 主控模塊： 單片機作為整個硬件系統(tǒng)的核心，它既是協(xié)調(diào)整機工作的控制電源 AVR48 電源 AVR48 按鍵 LED NRF24L01 NRF24L01 13 器，又是數(shù)據(jù)處理器。 硬件電路總體設計 硬件設計是整個系統(tǒng)的基礎，要考慮的方方面面很多，除了實現(xiàn)此設計基本功能以外，主要還要考慮如下幾個因素：①系統(tǒng)穩(wěn)定度；②器件的通用性或易選購性；③ 軟件編程的易實現(xiàn)性；④系統(tǒng)其它功能及性能指標；因此硬件設計至關重要。 NRF24L01 的結構方框圖 圖 31 NRF24L01 及外部接口 NRF24L01 的引腳功能及其封裝 NRF24L01 的引腳及功能如下圖所示： 11 引腳 名稱 引腳功能 描述 1 CE 數(shù)字輸入 RX 或 TX模式選擇 2 CSN 數(shù)字輸入 SPI 片選信號 3 SCK 數(shù)字輸入 SPI 時鐘 4 MOSI 數(shù)字輸入 從 SPI 數(shù)據(jù)輸入腳 5 MISO 數(shù)字輸出 從 SPI 數(shù)據(jù)輸出腳 6 IRQ 數(shù)字輸出 可屏蔽中斷腳 7 VDD 電源 電源 (+3V) 8 VSS 電源 接地（ 0V） 9 XC2 模擬輸出 晶體振蕩器 2 腳 10 XC1 模擬輸入 晶體振蕩器 1 腳 /外部時鐘輸入腳 11 VDD_PA 電源輸出 給 RF 的功率放大器提供的 + 12 ANT1 天線 天線接口 1 13 ANT2 天線 天線接口 2 14 VSS 電源 接地（ 0V） 15 VDD 電源 電源 (+3V) 16 IREF 模擬輸入 參考電流 17 VSS 電源 接地（ 0V） 18 VDD 電源 電源 (+3V) 19 DVDD 電源輸出 去耦電路電源正極端 20 VSS 電源 接地（ 0V） 圖 32 NRF24L01 的引腳及功能 NRF24L01 無線模塊主要有 20 引腳，采用 QFN 封裝，其引腳封裝圖如下所示： 圖 33 引腳封裝 12 第 4 章 硬件設計 本次設計的硬件 主要 由單片機發(fā)射模塊，單片機接收模塊 ， NRF24L01 無線 模塊部分構成。 芯片內(nèi)置頻率