MSP430和nRF905的无线数传系统设计

摘  要:阐述在低功耗应用中，利用MSP430和nRF905组成一种无线数据传输系统的设计方案。首先对核心芯片的选型和关键使用方法进行简单说明，然后介绍系统硬件和软件的设计，其中着重介绍如何对nRF905进行控制，并给出相关程序源代码。
关键词:无线数据传输 低功耗 MSP430 nRF905

    在特殊环境的数据测控应用中，无线数据传输已经越来越广泛地被运用。MSP430+nRF905的组合特别适合于低功耗、短距离(1OO～200 m)、小数据量的无线数传系统。MSP430 CPU在低功耗应用方面有很大优势，nRF905无线收发芯片具有功耗低、控制简单、可自动处理字头和CRC校验的优点，两者结合组成的数传系统可以在很多产品中得到应用。

1 MSP430简介
    MSP430是TI公司新推出的16位系列单片机，在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势。其工作电压在1.8～3．6 V之间，正常工作时功耗可控制在2OOμA左右，低功耗模式时可实现2μA甚至O．1μA的低功耗。MSP430具有非常高的集成度，通常在单个芯片上集成有12位的A／D、比较器、多个定时器、片内USART、看门狗、片内振荡器、大量的I／O端口及大容量的片内存储器，一般单片就可以满足大多数的应用需要。在低功耗应用中设计程序时，最好采用以下方法：CPU在初始化完成后，处于低功耗工作模式，在有外部事件发生时唤醒进入中断服务程序，完成后重新进入低功耗模式，照此循环往复，可以最大限度地降低功耗。较差等。上述问题经过精心设计是可以避免和解决的，所以基于GPRS的设计仍具有无可比拟的优势。

2 nRF905简介
    nRF905是挪威Nordik公司推出的单片射频收发器芯片，工作电压为1．9～3．6 V，32引脚QFN封装(5 mm×5 mm)，工作于433／868／915 MHz 3个ISM频道(可以免费使用)。nRF905可以自动完成处理字头和CRC(循环冗余码校验)的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码／解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。其功耗非常低，以一10 dBm的输出功率发射时电流只有11 mA，在接收模式时电流为12．5 mA。nRF905传输数据时为非实时方式，即发送端发出数据，接收端收到后先暂存于芯片存储器内，外面的MCU可以在需要时再到芯片中去取。nRF905一次的数据传输量最多为32 B。

2.1 nRF905的工作模式及设置
    nRF905有两种工作模式和两种节能模式，分别为掉电模式、待机模式、ShockBurst TM接收模式和Shock—Burst TM发送模式。这几种模式由外界CPU通过控制nRF905的3个引脚PWR_UP、TRX_CE和TX_EN的高低电平来决定，如表1所列。

    外界MCU通过SPI总线配置nRF905的内部寄存器，读写数据时必须把其置为待机或掉电模式。nRF905在待机模式时功耗为40,μA，在掉电模式时功耗为2．5 μA。

2.2 nRF905的状态输出
    nRF905有3个引脚用于状态输出，分别是：CD(载波检测)、AM(地址匹配)和DR(数据就绪)，均为高电平有效。nRF905在处于接收模式时，若检测到接收频率段的载波，就置CD为高；接着检测载波数据中的地址字节，若与本身已配置的接收地址相同，则置AM为高；若再检测到接收数据中的CRC校验正确，则存储有效数据字节，置DR为高。

    此外，nRF905还有一个时钟输出引脚uPCLK，供用户选择使用。通过配置内部寄存器，可改变其频率输出，这一点在调试时很有用。无线系统至少需要一发一收两个设备，调试时若出现问题很难判断是哪一方的故障。可以通过修改nRF905的寄存器，用示波器观察uPCLK输出是否变化的方法，来判断其硬件电路和CPU操作nRF905的程序是否正确，从而判断该设备是否工作正常。

2.3 nRF905的数据接口
    外围MCU通过SPI总线配置nRF905的内部寄存器和收发数据。nRF905的SPI总线包括4个引脚：CSN(SPI使能)、SCK(SPI时钟)、MISO(主人从出)和MOSI(主出从人)。这里nRF905为从机，其SPI的时钟范围很宽，可以从1 Hz～10 MFIz，因此MCU在写控制程序时不必苛求时间的准确度。

    SPI总线的每次操作都必须在使能引脚CSN的下降沿开始，CSN低电平有效，总线上的数据在时钟的上升沿有效。MCU对SPI总线的操作不外乎两种方式：读和写。在进行读操作时，先把CSN置低，然后在MOSI数据线上输出一个表示读命令的字节，与此同时，nRF905会在MISO数据线上输出一字节表示状态信息的数据，随后输出一地址字节，后面跟随有效数据。在进行写操作时比较简单，MCU先把CSN拉低，然后在MOSI线上输出写命令字节和数据字节即可。

2.4 nRF905的寄存器配置
    nRF905内部有5类寄存器：一是射频配置寄存器，共10个字节，包括中心频点、无线发送功率配置、接收灵敏度、收发数据的有效字节数、接收地址配置等重要信息；二是发送数据寄存器，共32字节，MCU要向外发的数据就需要写在这里；三是发送地址，共4个字节，一对收发设备要正常通信，就需要发送端的发送地址与接收端的接收地址配置相同；四是接收数据寄存器，共32字节，nRF905接收到的有效数据就存储在这些寄存器中，MCU可以在需要时到这里读取；五是状态寄存器，1个字节，含有地址匹配和数据就绪的信息，一般不用。

    MCU若要操作这些寄存器，需遵循nRF905规定的操作命令，常用的有以下7种，都是1个字节：写射频配置(OXH，“X”含4位二进制位，该字节表示要开始写的初始字节数)、读射频配置(1XH，“X”含4位二进制位，该字节表示要从哪个字节开始读)、写发送数据(20H)、读发送数据(2lH)、写发送地址(22H)、读发送地址(23H)和读接收数据(24H)。关于寄存器的详细信息可以参阅nRF905的数据手册。

2．5 nRF905的工作过程
    nRF905在正常工作前应由MCU先根据需要写好配置寄存罨，或是按照默认配置工作。其后的工作主要是两个：发送数据和接收数据。

    发送数据时，MCU应先把nRF、905置于待机模式(PWR_UP引脚为高、TRX_CE引脚为低)，然后通过SPI总线把发送地址和待发送的数据都写入相应的寄存器中，之后把nRF905置于发送模式(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高)，数据就会自动通过天线发送出去。若射频配置寄存器中的自动重发位(AuTO_RETRAN)设为有效，数据包就会重复不断地一直向外发，直到MCU把TRX_CE拉低，退出发送模式为止。为了数据更可靠地传输，建议多使用此种方式。

    接收数据时，MCU先在nRF905的待机模式中把射频配置寄存器中的接收地址写好，然后置其于接收模式(PWR_UP=1、TRX_CE=1、TX_EN=O)，nRF905就会自动接收空中的载波。若收到地址匹配和校验正确的有效数据，DR引脚会自动置高，MCU在检测到这个信号后，可以改其为待机模式，通过SPI总线从接收数据寄存器中读出有效数据。

3 系统硬件设计
    MSP43O的USART模块可通过寄存器配置为通用异步串行口或SPI模块功能，这里配置为SPI模块。本系统选用的MCU是MSP430F133，在硬件设计时把MCU的SPI接口和nRF905的SPI接口相连即可，另外再选几个I／O口连接aRF905的输入输出信号，如图1所示。

    对于初次接触无线系统的设计者，因其射频部分的元件采购、焊接和调试比较麻烦，可以选用PTR8000模块。该模块内核使用nRF905，硬件电路已经焊好，使用起来相对方便一些。

4  控制程序设计
    本系统设计的重点是控制nRF905的程序设计，大致分两个阶段：首先是对nRF905进行初始配置，配置完成后按需要编写数据的发送或接收程序。

4.1  初始化配置
    第一阶段应完成初始化配置，分以下几项：
    ①MSP430的SPI接口设置。MSP430的异步串行接口和SPI接口用同一个uSART模块，这里需要用软件配置为SPI功能。本设计中SPI配置为主机模式、3线制和8位数据。程序源代码参见子程序“SPI_SET”。(编者注：程序源代码见本刊网站www．mesnet．com．cn。)
    ②初始化nRF905的射频配置寄存器。这些寄存器中有很多信息，必须根据实际情况进行配置，本设计中nRF905外接16 MHz晶体，“XOF”应配置为“011”；“PA_PWR”为发射功率，”RX_RED_PWR”为接收灵敏度，可根据需要配置；另外还有发送地址、接收地址、发送数据和接收数据的长度(字节数)，可根据实际应用配置。注意这组寄存器中还有接收时的实际地址，而发送地址在其他单独寄存器中。
    ③配置nRF905的发送地址，最多4个字节(32位)，发送端的发送地址应与接收端设备的接收地址相同。在实际工作中，nRF905可以自动滤除地址不相同的数据，只有地址匹配且校验正确的数据才会被接收，并存储在接收数据寄存器中。

4.2  发送数据
    使nRF905发送数据前，需要MSP430通过SPI总线在待机模式下先把待发数据填进发送数据寄存器中，一次最多32 B。然后把nRF905的“TRX_CE”、“TX_EN”引脚都置为高电平，数据就会自动发送出去。本设计在射频配置寄存器中选定了自动重发位，因此在“TRX_CE”被置高的时间内数据一直在重复不断地发。本程序中设计延时500 ms，之后拉低“TRX_CE”引脚，回到待机模式。

4.3  接收数据
    MSP30把nRF905的“TRX_CE”引脚置为高电平，“TX_EN”引脚拉为低电平后，就开始接收数据。本设计中CPU在设定的35 s内一直判断nRF905的“DR”引脚是否变高，若为高，则证明接收到了有效数据，可以退出接收模式，若一直没有接收到，待时间到时也退出接收模式。退出后在待机模式，CPU通过SPI总线把nRF905内部的接收数据寄存器中的数据读出，即接收到的有效数据。编写接收部分程序时，有一点应该注意，很多资料中都没有提到，就是CPU在“M0SI”信号线上发出读命令字节后，在“MISO)”信号线上nRF905会自动返回一字节数据，为本身的状态寄存器信息，后续的接收数据并不会自动跟着输出，只有CPU在“MOSI”上再输出一个字节(可以是随意值)，nRF905才会在“MISO”上返回一个字节，CPU再发，nRF905再返回，直到读完为止。