隨著射頻無線通信技術的迅速發展，對大型工程機械駕駛操控室儀表顯示采用無線通信的信號傳輸方式，可有效消除線纜傳輸固有的弊端，保證信號傳輸的質量和可靠性。本文提出一種以超低功耗16 bit微控制器MSP430F149和射頻無線收發器nRF2401為核心的無線通信平臺，實現了大型工程機械駕駛操控室儀表顯示信號的無線傳輸，并完成了平臺系統的設計與實現。
1 系統結構及工作原理
    系統結構及原理框圖如圖1所示。

    系統由發射機和接收機組成。發射機和接收機的無線模塊為射頻無線收發器nRF2401，并均能工作在收發狀態，采用半雙工方式通信，通過按鍵中斷實現模塊收發方式的轉換，并在LCD上實時顯示收發器的工作狀態。發射機主要完成現場各類儀表信號的數據采集及A/D轉換、存儲、軟件抗干擾和標度轉換處理、數據發送、LCD顯示系統狀態控制以及控制指令接收等功能；接收機則主要實現現場數據接收、LCD顯示儀表參數控制、向發射機傳送控制命令等工作。此外，發射機和接收機的控制單元配置有標準的RS-232接口，可以很方便地把各類數據傳送到PC機上進行分析處理。
2 通信系統硬件設計
    發射機和接收機的控制單元所采用的MCU器件皆為TI公司的16 bit高性能微控制器MSP430F149芯片。該芯片具有超低功耗、運算速度快、存儲容量大、高性能模擬模式及豐富的片內外設、JATG接口和在線編程等顯著優點[1]。系統無線通信模塊為Nordic公司生產的單片集成射頻無線收發器nRF2401芯片，工作頻率范圍為全球開放的2.4 GHz頻段，可自適應125個頻道，具有功耗低、通信速率高、通信質量穩定可靠、軟件配置工作參數、外圍電路簡單、應用靈活、成本低廉、開發周期短等優點[2]。應用該芯片實現無線通信是一種具備較高性價比的解決方案。
2.1 nRF2401收發器工作原理
    nRF2401芯片采用5 mm×5 mm QFN封裝，芯片內置地址解碼器、時鐘、解調處理器、先進先出堆棧區、GFSK濾波器、CRC處理器、低噪聲放大器、頻率合成器和功率放大器等功能模塊，并具有1.9 V～3.6 V寬工作電壓，以-5 dBm功率發射時，工作電流為10.5 mA，接收時工作電流為18 mA。
    2401工作原理可概括為：2種通信方式、1個配置字、2個通道和4種工作模式[3]。
    兩種通信方式為ShockBurstTM(突發模式)和Direct Mode(直接模式)。在ShockBurstTM方式下，由2401自動處理數據包字頭、地址和CRC校驗碼，數據包由MCU低速送入片內的FIFO區，由2401高速發出，數據傳輸速率最高達1 Mb/s，這種方式抗干擾性能強并且節能；Direct Mode方式時，如傳統射頻收發器一樣，數據包字頭、地址和CRC校驗碼必須在通信程序中處理。
    2401內置狀態字寄存器，其功能為設置芯片的工作參數配置字。配置字由CS、CLK1和DATA 3線接口寫入，包括芯片收發狀態、接收頻道地址位數和地址、通道選擇、傳輸速率、晶振頻率、發射功率、工作頻率、CRC糾校驗等參數，最多可有144 bit，前24 bit為系統保留位，其余120 bit由程序設置。在ShockBurstTM方式下配置字為15 B，Direct Mode方式下配置字為2 B。
    2401具有DuoCeiver^TM技術，為接收提供了2個獨立的專用數字信道，即通道1(CLK1、DR1和DATA)和通道2(CLK2、DR2和DOUT2)，后者只接收數據，可代替兩個單獨的接收系統。通過一個天線接口即可同時接收兩組數據，但接收通道2的頻率必須比通道1的頻率高出8 MHz以上時，才能正常接收[4]。
    2401具備4種工作模式，由PWR_UP、CE和CS 3個引腳信號決定，表1給出了工作模式與引腳信號的對應關系。

    2401上電工作時，首先置為配置模式，由初始化程序寫入配置字，配置字的最后1位指定2401收發狀態；然后由控制器輸出信號將CE引腳置為高電平，2401進入收發模式工作，通過指定通道收發數據，收發雙方交互時一方可進入空閑模式，待全部數據傳送完畢時進入關機模式[3]。
2.2 通信系統硬件邏輯電路
    圖2為系統的控制芯片MSP430F149與無線模塊nRF2401的硬件邏輯電路。由于MSP430F149只有P1和P2口具有中斷控制功能，故將F149的P2口P2.0～P2.7分別接2401的CE、DR2、CLK2、DOUT2、CS、DR1、CLK1和DATA引腳，P5.7接PWR_UP。

    2401的工作電壓為3 V，由圖2可知2401應用電路只需少量的外圍元件。在設計過程中，天線可以選用PCB內置，也可以使用單鞭天線和環形天線。本系統使用外置天線，SMA接頭。傳輸距離在100 m左右，可滿足大型工程機械儀表通信距離要求。
    系統外圍電路部分設計較簡單，MSP430F149的P6口為指定A/D口，現場采集的儀表傳感器信號經整形放大輸入F149的P6端口進行A/D轉換；P3、P4、P5口為普通I/O口，因此要合理利用I/O口；F149的P4和P5端口接液晶顯示器YJD12864，控制LCD實時顯示；P1端口接鍵盤，2401的收發狀態由按鍵中斷設定。
3 系統軟件設計
    系統軟件是在IAR Embedded Workbench平臺上開發的C代碼程序，采用模塊化結構。發射機程序包括數據采集、無線數據發送、實時顯示以及與PC機通信等模塊；接收機程序包括無線數據接收、地址和CRC校驗、儀表參數實時顯示以及與PC機通信等模塊。此外，發射機和接收機軟件留有收發命令接口，以備系統擴展工程操作遙控功能。本文主要討論無線數據傳輸模塊。
    無線通信模塊主要完成nRF2401初始化和無線數據收發功能。
    2401初始化主要是寫入配置字，由CS片選引腳控制, CLK1引腳提供串行時鐘，通過DATA數據位引腳串行寫入配置字。2401工作在ShockBurstTM方式下，配置字包括數據寬度、地址寬度、地址、CRC校驗碼和解碼四部分。
    2401數據包通信協議格式由PRE-AMBLE＋ADDRESS＋PAYLOAD＋CRC項組成。其中：PRE-AMBLE為8 bit前導碼，由硬件自動加入；ADDRESS為32 bit發送地址碼；PAYLOAD為208 bit的發送數據；CRC是由內置糾檢錯硬件電路自動加上的校驗和，可設為0、8或16 bit。除去前導碼，本系統設置數據包長度為256 bit(32 B)，其中：數據寬度208 bit、地址寬度32 bit、CRC碼16 bit。
    根據通信協議設定2401接收端配置字為：
0x00.d000.0000.0000.00cc.cccc.cc83.4f05；
發送端配置字為：0x00.ff00.0000.0000.00cc.
cccc.cc83.4f04。配置后2401以ShockBurstTM模式進行單通道接收，通道1地址為0xcccc.cccc，通信速率250 kb/s，晶振頻率16 MHz，輸出功率0 dBm，工作頻率2 402 MHz。
    通信系統發送和接收程序流程圖如圖3所示。

    通信程序開始時，首先對MSP430F149、A/D、YJD12864、nRF2401初始化并等待按鍵中斷，系統分別設置收、發和空閑鍵，當按鍵閉合產生中斷后分別進入對應的中斷服務程序，完成數據包的傳送。2401的CE端由MCU 的P2.0引腳控制。發送程序開始時寫入2401發送配置字，再置CE端為高，2401進入發送模式，通道1地址和發送數據由P2.7(DATA)引腳依次寫入2401的緩沖區， 2401自動加上字頭、CRC校驗碼將數據包以250 kb/s的通信速率發射出去。發送程序可以連續發送數據包直到按下接收鍵或空閑鍵退出發送程序返回。當按下接收鍵時進入接收程序，首先寫入2401接收配置字，當CE端置高時2401進入接收模式，延時202 ?滋s后開始接收數據包，當正確接收數據包后，2401自動除去前導碼、地址和CRC校驗碼并將數據送緩沖區，同時DR1輸出高電平通知MCU讀取數據，微控制器從P2.7引腳逐位移出數據后，DR1輸出低電平，接收數據包結束。接收程序亦可以連續接收數據包直到按下發送鍵或空閑鍵退出接收程序返回。
4 實驗結果及結論
    由于MSP430F149內置高精度12 bit 8通道A/D轉換器，數據轉換精度可達。本系統使用其中1路通道采集油箱油量數據。為保證數據采樣的精度，數據采集程序采用算術平均值數字濾波，對采樣信號進行平滑加工以提高系統可靠性。經實驗測試A/D轉換精度滿足要求。
    本系統在室內走道和室外開闊地對2401發射功率為0 dB、-5 dB、-10 dB、-20 dB的4個檔位進行了點對點數據傳輸實驗，測試數據傳輸距離和誤碼率，系統供電分別為穩壓電源和干電池。室內走道傳輸距離為70 m，在無高大建筑物吸收和干擾的室外開闊地，傳輸距離可達100 m左右。由于nRF2401芯片內置了CRC糾錯電路和協議，所以數據傳輸的可靠性高。實驗中，凡在可接收到數據的情形下，未出現接收數據出錯的現象。由于穩壓電源提供的電壓、電流穩定，能夠提高接收信號的質量和距離。
    本文提出的基于射頻收發芯片nRF2401實現工程機械儀表異地顯示的無線通信方案，實現了大型工程機械駕駛操控室儀表顯示無線通信的信號傳輸，可消除目前線纜傳輸固有的弊端，有效保證信號傳輸的質量和可靠性。由于本系統為低功耗設計，使用兩節5號干電池即可保證長期工作。經測試，在100 m左右的通信距離內，該無線傳輸系統能夠穩定地實現數據的有效傳輸，具有低功耗、抗干擾能力強、易攜帶等優點。目前擬在QY50B型汽車起重機和BBS5280JXFJP18型舉高噴射消防車上試用。此外，本系統的發射機和接收機均能工作在收發方式，并預留多種接口，方便擴展功能和組網，也適用于其他具有無線通信功能的應用場合。
參考文獻
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[2] 鄭曉艷.熱藥灌注機中無線通信裝置的設計[J].微計算機信息，2008(12)：101-103.
[3] 郝衛亮.無線傳輸系統中nRF2401芯片數據丟失問題的研究[J].電子技術應用，2007(8)：55-57.
[4] Nordic VLSI ASA.NRF2401 Single Chip 2.4 GHz Radio Transceiver Data sheet[OL]，2003.http：//www.nvlsi.no.