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2010年9月9日

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日期 2010.9.9 作者 ZSQ 备注 创建文档 nRF24LE1无线监控通信开发文档

nRF24LE1无线监控通信开发文档 .................................................................................................. 1 第一章 项目背景概述 ............................................................................................................... 4 第二章 nRF24LE1背景知识 ............................................................................................................ 6

2.1 nRF24LE1的硬件架构介绍 ................................................................................................ 6 2.2 nRF24L01+2.4G射频收发器介绍 ...................................................................................... 6

2.2.1射频收发器架构介绍 .............................................................................................. 6 2.2.2 射频收发功能说明 ................................................................................................. 7 2.2.3 增强型ShockBurst .................................................................................................. 8 2.3 存储器相关 ........................................................................................................................ 9 第三章 软硬件开发平台搭建 ....................................................................................................... 11

3.1 硬件平台介绍 .................................................................................................................. 11 3.2 软件平台介绍 .................................................................................................................. 11

3.2.1 软件开发包SDK ................................................................................................... 12 3.2.2 nRF软件综合环境 ................................................................................................. 13 3.2.3 nRFprobe——在线仿真软件调试工具 ................................................................ 14 3.2.4 软件开发平台 ....................................................................................................... 14 3.3 nRF24LE1 DK Getting Started Guide ................................................................................. 15 第四章 子模块代码解析 ............................................................................................................... 17

4.1 I/O口的使用 .................................................................................................................... 17 4.2 UART子模块 ..................................................................................................................... 18 4.3 实时钟RTC ...................................................................................................................... 20 4.4跳频子函数 ....................................................................................................................... 21 4.5 发送和接收子模块 .......................................................................................................... 22 第五章 无线抗干扰技术 ............................................................................................................... 27

5.1 2.4GHz ISM频段分析 .................................................................................................... 27 5.2 无线抗干扰设计 .............................................................................................................. 29 第六章 无线通信协议 ................................................................................................................... 30

6.1介质访问控制协议设计 ................................................................................................... 30 6.2 通信协议设计 .................................................................................................................. 32 参考文献......................................................................................................................................... 34

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第一章 项目背景概述

本无线通信设计应用于家庭安防监控系统。如图1.1所示，该系统以主机为中心，多个传感器及摄像头等设备与主机构成一个星形的网络结构。他们每个节点都配有一个无线收发模块nRF24LE1，主机也有无线收发模块，因此主机与各个设备之间都是无线通讯的，不需要布线来进行连接，系统维护和管理都不需要太多的外部干预，这样使得系统更加简便安全。

图1.1 无线通信系统框图

各模块之间的通信关系：

? 主机与摄像头之间： ①向主机申请加入网络，主机收到加入申请后，回

复加入网络成功信号；②主机发送拍摄照片命令，摄像头收到指令后按

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指令要求向主机发送图片数据；③当传感器被触发后，向主机发送触发信号；④定时的网络维持。

? 主机和PIR/IR之间：①向主机申请加入网络，主机收到加入申请后，回

复加入网络成功信号；②当传感器被触发后，向主机发送触发信号；③接受到主机命令，工作于闪光（5s）或长亮或关的模式；④定时的网络维持。

? 主机和门警报之间： ①向主机申请加入网络，主机收到加入申请后，回

复加入网络成功信号；②当被触发后，向主机发送触发信号；③定时的网络维持。

? 主机和遥控开关之间：①向主机申请加入网络，主机收到加入申请后，

回复加入网络成功信号；②接受主机的命令，控制GPIO的变化或者发送给主机自己的GPIO状态；③定时的网络维持。

? 主机和遥控器之间： ①第一次，手动长按遥控器一按钮和主机进行配对，

把自己的MAC地址发送给主机以供绑定；②发送对主机的几条控制命令：布防；撤防。

? 主机和紧急报警之间：①第一次，手动长按紧急报警一按钮和主机进行

配对，把自己的MAC地址发送给主机以供绑定；②发送对主机的报警命令。

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第二章 nRF24LE1背景知识

2.1 nRF24LE1的硬件架构介绍

图 2.1 nRF24LE1硬件架构

如图2.1所示，即为nRF24LE1的硬件架构。从功能模块上，可以大体分为2个部分：一是增强型的8051MCU；二是nRF24L01+2.4G射频收发器。两个部分通过SPI接口进行通信。

nRF24LE1提供三种不同的封装：4mm*4mm 24引脚QFN封装（7个通用I/O）；5mm*5mm 32引脚QFN封装（15个通用的I/O）；7mm*7mm 48引脚的QFN封装（31个通用的I/O）。不同引脚的封装，除了IO口的数量不同外，在功能上也有一定的区别。本设计采用的为5mm*5mm 32引脚QFN封装（15个通用的I/O）。

2.2 nRF24L01+2.4G射频收发器介绍 2.2.1射频收发器架构介绍

射频收发器工作与国际ISM频段2.400~2.4835GHz。射频收发内核的配置通

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过射频收发器的寄存器映像进行，寄存器由MCU通过双向的片内SPI接口来访问，并可在各种节能模式下工作。

图2.2 射频收发器框图

如图2.2所示，即为射频收发器内部框图。射频收发器通过SPI接口与MCU通信；MCU通过三个接口（RFCON.rfce，RFCON.rfcsn，RFIRQ）对射频收发器进行控制；register map为寄存器映射，用于保存MCU对于射频收发的配置；TX FIFOs、RX FIFOs分别用于存储待发送和接收到的数据包。

2.2.2 射频收发功能说明

2.2.2.1工作模式

射频收发器可配置为四种工作模式：掉电模式；待机模式；接收模式；发射模式。通过配置CONFIG寄存器的PWR_UP位、PRIM_RX，rfce，rfcsn，可以改变射频收发器的工作模式。具体配置可参见表2.1。

表2.1 射频收发器工作模式

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2.2.2.2空中速率

空中速率指的是在发射和接收时，射频收发器使用的已调制的信号速率。对于nRF24LE1,通过设置RF_SETUP寄存器中的RF_DR，可将空中速率设定为250kbps，1Mbps或2Mbps。使用高速率可以获得较低平均电流从而减少空中受干扰和碰撞机会；使用较低的速率将会获得更好的接收灵敏度。接收方和发送方必须设定为同一速率方可互相通信。

2.2.2.3射频频道频率的设定

射频频道的频率决定射频收发器所使用频道的中心频率。在速率为250kbps或1Mbps时，频道占有的带宽小于1M；在2Mbps时，所占带宽小于2M。射频收发器工作的频率范围在2.400~2.525GHz。无线频道设置的频率分辨率为1MHz。

无线频率由RF_CH寄存器的内容确定，可由以下公式计算得出： F0=（2400+RF_CH）MHz

通过改变频率，可以实现跳频等功能。为确保相互通信，发射器和接收器须在同一个频率。

2.2.2.4接收功率检波测量

接收功率检波（RPD），位于寄存器09的位0，在当前无线频道上接收到的功率电平高于-64dBm就会置该位为RPD=1；否则，RPD=0。

在接收模式下，RPD可以随时被读出。只要收到一个包或者rfce为低，RPD将清零。

通过RPD检测，可以实现载波监听等功能。

2.2.3 增强型ShockBurst

增强型ShockBurst是由ShockBurst模式发展而来的。增强型ShockBurst模式是一个以包为基础的数据链路层，功能包括包的自动设定装配和装配时间，自动应答和自动重发。增强型ShockBurst能够完成低功耗和高性能的通信，能有效改

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善双向和非双向系统无线通信的能源效率，而无需在微处理器端进行复杂的操作。

增强型ShockBurst重要作用在于使得一个双向数据链路的可靠通信变得更加容易实现。一个增强型ShockBurst的包处理实际上是在两个射频收发器之间进行的包的交换，一个射频收发器作为主接收（PRX），另一个射频收发器作为主发送(PTX)。包的自动处理过程如下：

1先从PTX发送一个数据包到PRX，增强型ShockBurst将设置PTX为接收并等待ACK包。

2 如果数据包被PRX所接收，增强型ShockBurst将自动装配并发送一个应答包（ACK包）给PTX然后返回接收模式。

3 假设PTX没有即时收到ACK包，增强型ShockBurst将会在一个可编程的延迟时隔后自动重发此数据包，然后将PTX设置为接收模式等待ACK包。

在增强型 ShockBurst中可以设定重发的次数和重发的间隔参数，而后所有的工作均由增强型ShockBurst自动完成而无需MCU的干预。

增强型ShockBurst包格式如表2.2所示。

前置域 1 byte 地址域 3~5 byte 包控制域 9 bits 载荷 0~32 byte CRC 1~2 byte

表2.2 增强型ShockBurst包格式

其中，前置域为确保足够时间来稳定接收机处理；地址域为接收机地址；包控制域包含数据载荷长度、包标识符、无应答标志；载荷为用户所定义的包的内容；CRC为数据包使用的错误检测机制。

采用增强型ShockBurst，设置最大重发次数，可以减少MCU的相关操作，并提高数据发送成功率。

ShockBurst除了没有自动应答和自动重发功能外，在包格式中没有9位的控制域。

2.3 存储器相关

如图2.3和图2.4所示。MCU各有64kb代码存储器（Data Space）和数据存储器（Code space）、256字节内部数据存储器（IRAM）和128字节特殊功能寄

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存器(SFR)。

nRF24LE1包括16kb可擦写存储器Flash、1kb数据存储器SRAM、两块Flash非易失存储器（1kb标准擦写循环周期和512字节更长擦写受命周期）。

图 2.3 数据存储器和代码存储器

IRAM0xFF0xFF仅可间接寻址0x80可直接或间接寻址0x00仅可直接寻址0x80特殊功能寄存器SFR

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图 2.4 内部数据存储器和特殊功能寄存器

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第三章 软硬件开发平台搭建

3.1 硬件平台介绍

图3.1 nRF24LE1 nRFgo DK

开发平台采用如图3.1所示的nordic公司nRF24LE1 nRFgo DK。主要由两部分组成：具有PCB天线的nRF24LE1开发模块nRF2722，提供电源和扩展连接功能的母板nRF6310。本项目开发中，共使用了2个nRF2722和2个nRF6310。

左侧nRF2722通过插槽与母板nRF6310相连接；母板nRF6310下部的倒数第二排引脚与nRF24LE1的IO口对应相连；母板nRF6310右下角的四个引脚接到上部的串口（在子模块部分会详细介绍）；最下边八个为按键，与引脚最下排左边八个对应相连；按键上部为八个LED灯，与引脚最下排中间八个对应相连；上部所框为电源接口部分，母板有三种供电方式：一是通过USB供电，同时也是下载线；二是板子背部的三节七号干电池供电；三是通过直流供电，此方式须切换S8开关。对于供电方式的建议：开发时采用USB供电，在烧写程序的同时还可以供电；在需较远距离测试时，可采用高容量干电池供电。

3.2 软件平台介绍

在搭建好硬件开发平台后，还要建立好开发应用的软件平台。软件部分可分为三部分，其中SDK和nRFgo Studio是nordic公司的配套软件，Keil C51 uVision3为第三方软件。

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3.2.1 软件开发包SDK

Software Development Kit (SDK)是nordic公司配套的，包括关于芯片开发的参考代码以及文档，安装以后源代码在相应的目录下，文档说明以超文本方式提供。

nRFgo SDK：

? 包括1nRF SOC器件的通用软件开发平台；

? 包含器件操作、协议堆栈和应用函数的软件代码库。 本设计中采用了v2.0版本安装，如图3.3所示。

在安装后的文件夹中，Documentation文件夹里nrfgo_sdk_help.chm文件为帮助文件，如图3.5所示。

图3.4 SDK安装后文件夹

在文件夹Source_Code中的可以找到相应的源代码，在其中的projects文件夹下可以找到相应的demo例程的keil C51工程。

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图3.5 nrfgo_sdk_help.chm

3.2.2 nRF软件综合环境

图3.6 nRFgo Studio 操作界面

nRFgo Studio是一个PC端的应用程序，用来控制及管理开发平台，具有评

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估及测试功能，并可进行Flash在线编程。

如图3.6所示为nRFgo Studio软件操作界面，红色部分为选择要下载的.Hex文件路径；蓝色部分为设备识别控制部分；黑色部分为信息显示区，可以显示连接或断开设备，验证、下载成功之类信息。

通过USB连接开发板与电脑，打开nRFgo Studio，即可以在Decice Manager部分发现到设备boards 0，同时，开发板上的LED也会显示0，同理，在接入第二个母板时，会发现设备boards 1等。

3.2.3 nRFprobe——在线仿真软件调试工具

nRFprobe具有一下特征：

? 为nRF SOC设计的Flash编程和硬件调试的综合工具； ? 与keil uVision完全无缝连接； ? 集成于nRFgo平台；

? 包含在nRFgo开发目标板套件中。 若不需要硬件调试不必安装此软件。

3.2.4 软件开发平台

本设计使用的软件开发平台为Keil C51。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。

本设计开发使用的keil C51版本为uVision3 V3.30。如图3.7，即为keil C51 uVision3的操作界面。

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图 3.7 keil C51 uVision3操作界面

注意：要确保stdint.h和stdbool.h头文件已经在..\\Keil\\C51\\INC及reg24le1.h在..\\Keil\\C51\\INC\\Nordic。否则工程将链接出错。在Keil C V8.47及其以后版本中，nRF24LE1已经列入其型号表，这些文件应该在相应的目录中。

3.3 nRF24LE1 DK Getting Started Guide

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第四章 子模块代码解析

本设计采用可读性好，移植容易并普遍使用的C语言进行开发。nRF24LE1内置增强型的8051，因此，大部分针对8051的C代码可以加以利用。

本设计采用的为5mm*5mm 32引脚QFN封装（15个通用的I/O），因此以此型号为例进行介绍。本章节代码均在keil C51下编译通过，并在nRF24LE1上验证成功。

4.1 I/O口的使用

nRF24LE1的每个I/O引脚具有MCU通用的I/O引脚功能包括以下功能(x取0、1、2、3，为四组I/O)：

? 数字或模拟

? 配置方向：寄存器PxDIR做输入和输出方向控制 ? 配置驱动能力，配置上拉或者下拉：寄存器PxCON控制每个引脚的驱动

能力，以及上拉和下拉电阻。

5mm*5mm 32引脚具有15个通用的I/O，如表4.1所示。注意：不同封装的芯片的管脚功能有一定的区别。

管脚复用：

? 对于默认连接：例如表4.1中P0.4~P1.0的每个引脚列出有两个系统输入，

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这意味着该引脚若已配置为输入则将控制两个模块的输入，即这两个功能通过一个与门结合同时起作用。

1) 对于动态使能连接：端口交叉模块可以根据系统需要实时修改与芯片的

外设模块（如SPI，I2C等）的动态连接，在选用较小封装时，引脚的分配可能会发送冲突，这可以通过设置每个外设模块的优先级来解决。

表4.1 32引脚映射表

例如令P0DIR = 0x17，按表4.1，可以得出设置结果为：P0.7、P0.6、P0.5、P0.3设置为输出；P0.4、P0.2、P0.1、P0.0设置为输入。其中，P0.4为输入，P0.3为输出，则默认连接UART/RXD和UART/TXD起作用，接通相应电路后，就可以用做串口通信。

4.2 UART子模块

串口由寄存器S0CON控制，而实际的数据传送可读/写SBUF寄存器。数据传送速率（波特率）S0RELL、S0RELH和ADCON寄存器来选择。

实现串口通信步骤：

? 1 要在母板上相应的线连接起来，如图4.1所示，并确定上部的串口开

关置于开启状态。

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图4.1 串口硬件连接图

? 2 配置相应的I/O口。配置P0.4为输入，P0.3为输出，即可。 ? 3通过调用SDK中的hal_uart.c文件，可以容易的实现串口通信。首先调

用函数hal_uart_init(hal_uart_baudrate_t baud)初始化串口，然后就可以通过hal_uart_getchar()和hal_uart_putchar(uint8_t ch)进行串口通信了。 代码示例： #include \Main() { …

P0DIR = 0x17； …

hal_uart_init(4); //采用方式1,波特率为9600 …

hal_uart_getchar(); //串口接收一个字节

hal_uart_putchar(0xFF);//串口输出一个十六进制FF }

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4.3 实时钟RTC

RTC2包含两个寄存器用来捕获定时器的值，一个由32.768kHz时钟的下降沿驱动；另一个由MCU的时钟驱动来获得更好的分辨率。两个寄存器均可由外部事件的结果来更新。当定时器和比较器寄存器预定义周期的值相同时，RTC2产生一个中断，RTC2确保唤醒的功能优于中断。通过RTC定时，可以用于芯片掉电休眠的周期性唤醒源。

例程

//************************************** //功能：RTC2定时器初始化子程序

//************************************** void rtc2_init(void) { }

//************************************** //功能：RTC2中断服务子程序

//**************************************

void RTC2_IRQ(void) interrupt INTERRUPT_TICK { }

或者调用SDK中的hal_rtc.c文件。

LED0= ！LED0; //需要实现的RTC中断功能

CLKLFCTRL=0x01; RTC2CMP0=0xff; RTC2CMP1=0xff; RTC2CON=0x07; WUIRQ=1;

// 比较模式，启动RTC2 // 使能TICK中断

// 使用32K RC时钟

// 定时时间2秒

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4.4跳频子函数

在跳频通信过程中主要是如何实现接收端和发送端在改变频道的过程中频道的统一，而且在频道转换过程中应当尽可能地少花费时间。nRF24LE1的频道转换时间可以满足这个要求。下面来如何从软件上实现跳频。

首先，要编辑一个随机数表： const uint8_t code

FreBuf[12]={0x28,0x49,0x38,0x07,0x19,0x17,0x2f,0x1f,0x14,0x16,0x06,0x33};

这是一个数组，称为跳频频道表，而更换频道就是用这个数组中的每个值作为一个频道，通过迅速的改变这些值实现跳频通信。跳频频道表一般不采用 1, 2, 3, 4??的顺序安排, 因为如果一个信道受到干扰, 那么与之相邻的信道很有可能也受到干扰, 考虑到W-LAN的信道带宽为22MHz, 可以用公式i+j×22 ( j=1, 2, 3, 4, 5; i=1, 2, 3) 的顺序安排跳频频道表。

//*********************************** //功能：发送端改变频道

//***********************************

void Fswitchchannel(uint8_t fre) {

CE_LOW();

hal_nrf_set_rf_channel(fre); //CE_HIGH();

hal_nrf_set_power_mode(HAL_NRF_PWR_UP); radio_status = RF_IDLE; }

//*********************************** //功能：接收端改变频道

//***********************************

void Jswitchchannel(uint8_t fre) {

CE_LOW();

hal_nrf_set_rf_channel(fre); CE_HIGH();

radio_status = RF_IDLE;

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}

在这里只用到了12个频道。其实在实际应用中可以适当的增加或减少所用的频道。

4.5 发送和接收子模块

发送和接收模块是nRF24LE1的一个重要功能模块。本模块可通过调用SDK中的radio.c文件来实现。

示例代码如下： #include \

//*********************************** //功能：发送一个数据包

//*********************************** void send_packet(uint8_t command) {

bool packet_sent; uint8_t data_length; // Assemble packet

packet[0] = CMD_SEND_DATA; //相当于帧头吧 Add TYPE (data = 0x00)

//CMD_SEND_DATA=0:send a new command

//可以把第一帧设为地址（本机ID号） packet[1] = data_length = 1; // Add LENGTH (1 byte)

packet[DATA_POS] = command; //Add DATA to send;DATA_POS=7 : Defines

//the start-position of the data in packet

//可以加和校验位和尾帧 // Send packet with radio

radio_send_packet(packet, data_length+DATA_POS);

//void radio_send_packet(uint8_t *payload（待发数组的地址）, uint8_t //length(总长度))

// Wait for respons from radio, TX_DS or MAX_RT

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while(radio_busy()); //等到nRF产生中断，改变radio_status的值，才会

//跳出while

packet_sent = radio_packet_sent(); //改变radio_status为RF_IDLE if(packet_sent) {

LED1_BLINK(); // Packet sent, flash LED1 } else {

LED0_BLINK(); // Packet lost, flash LED0 } }

//*********************************** //功能：接收一个数据包，并放入指定的数组中 //*********************************** uint8_t read_packet(void) {

uint8_t nrf_data, data_length,type, pck_length; // Get the packet from radio

pck_length = radio_read_data(packet); //这是接受到的有效位的长度 // Disassemble packet

type = packet[0]; // Get TYPE of message data_length = packet[1]; // Get LENGTH of data part // .... Room for decryption of message ....

nrf_data = packet[DATA_POS]; // Get the received nrf_data return nrf_data; } Main() {

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…

RFCKEN = 1; // enable L01 clock RF部分的CLK使能 RF = 1; // enable RF interrupt EA = 1; // Global interrupt enable …

radio_init(x); //射频收发器初始化，x=0则为接收模式；x=1则为发送模式 //************************************* //功能：若设为发送模式，发送一个数据包 //************************************* while(radio_busy()); // Wait until radio ready send_packet(CMD1); //发送数据包 //*************************************

//功能：若设为接收模式时，检测到完整数据包后接收数据 //************************************* if(radio_data_received()) //若收到完整的数据包 command = read_packet(); //读取数据包至指定数组 }

下面重点讲解一下radio.c文件。

//************************************** //功能：射频收发器初始化

//************************************** void radio_init(uint8_t operation_mode) {

CE_LOW(); // Disable radio

hal_nrf_enable_ack_payload(true); // Enable dynamic ack hal_nrf_enable_dynamic_payload(true); // Enable dynamic payload hal_nrf_setup_dynamic_payload(0xFF); // All pipes uses dynamic ack.

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hal_nrf_close_pipe(HAL_NRF_ALL); // First close all radio pipes // Pipe 0 and 1 open by default hal_nrf_open_pipe(HAL_NRF_PIPE0, true); // Open pipe0, with autoack

hal_nrf_set_crc_mode(HAL_NRF_CRC_16BIT); // Operates in 16bits CRC mode hal_nrf_set_auto_retr(15, 250); // 250 delay, 15 retransmits

hal_nrf_set_address_width(HAL_NRF_AW_5BYTES); // 5 bytes address width hal_nrf_set_address(HAL_NRF_TX, address); // Set device's addresses hal_nrf_set_address(HAL_NRF_PIPE0, address); // Pipe0 used for auto ACK //hal_nrf_set_datarate(hal_nrf_datarate_t datarate)//调用来设置传输速率，默

//认为2Mbps

if(operation_mode == 0) // Mode depentant settings {

hal_nrf_set_operation_mode(HAL_NRF_PRX); // Enter RX mode CE_HIGH(); // Enable radio }

else // Mode depentant settings {

hal_nrf_set_operation_mode(HAL_NRF_PTX); // Enter TX mode }

hal_nrf_set_rf_channel(40); // Using channel 40 (2440MHz) hal_nrf_set_power_mode(HAL_NRF_PWR_UP); // Power up device

radio_status = RF_IDLE; // Radio ready, i.e. RF_IDLE }

//***************************************** //功能：射频收发器发送数据包子函数

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//***************************************** void radio_send_packet(uint8_t *payload, uint8_t length) {

hal_nrf_write_tx_payload(payload, length); // Load message into radio CE_PULSE(); // Send packet radio_status = RF_BUSY; // Trans. in progress; RF_BUSY }

bool radio_busy(void) {

return(radio_status == RF_BUSY); }

bool radio_packet_sent(void) {

switch(radio_status) {

case HAL_NRF_TX_DS: radio_status = RF_IDLE; return true; break;

case HAL_NRF_MAX_RT: radio_status = RF_IDLE; return false; break; default: return false; break; }

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// Packet sent

// Return to radio:RF_IDLE // Packet lost

// Return to radio:RF_IDLE

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}

//***************************************** //功能：射频收发器读出数据包子函数

//*****************************************

uint8_t radio_read_data(uint8_t *rx_data) //This function saves the data

//from the radio to the specified array.

{

uint8_t length = LSB(hal_nrf_read_rx_payload(rx_data)); // Get received

//data,pipe number (MSB byte) and packet length (LSB byte)

// and bytes received

if (hal_nrf_get_rx_fifo_status() == FIFO_EMPTY) // Fifo is empty? {

radio_status = RF_IDLE; }

return length; }

第五章 无线抗干扰技术

5.1 2.4GHz ISM频段分析

2.4GHz ISM 频段是全球开放频段, 许多系统如W- LAN、蓝牙等都共用这一频段, 如图5.1所示。 nRF24LE1 的工作环境也许会是一个干扰很多的环境, 系统往往在受控的实验室环境下工作得很好, 但在现场却会由于受到其他工作在 2.4GHz 产品的影响而使性能显著下降。在应用nRF24LE1时如何处理其他设备的干扰是必须考虑的问题。本系统应用于家庭安防，因此系统的抗干扰能力尤为重要。

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图5.1 nRF24LE1、W-LAN和蓝牙的频谱分布图[4]

（注：选取W-LAN第一个信道的频谱）

工作在2.4GHz 频段的无线设备的频道使用情况主要分为两种, 一种是频率分布相对稳定的系统如W-LAN以及恶意同频干扰,另一种是跳频系统如蓝牙。

W- LAN 采用 DSSS (直接序列扩频) , 其每信道带宽为 22MHz, 故允许使用 3 个分布式信道而不会相互重叠,它将原信号 “ 1” 或 “ 0” 利用 10 个以上的 chips代表“ 1” 或 “ 0” , 使得原来较高功率、较窄频率变成具有较宽频的低功率, 因此 W- LAN 对其他设备而言产生的是在某些频率段相对稳定的干扰。

蓝牙技术采用 FHSS (跳频扩频) 并将 2.4GHz ISM 频段划分成 79个 1MHz的信道。蓝牙设备以伪随机码方式在这 79个信道间每秒钟跳 1600次, 它同时接受两端以特定型式的窄频载波来传送讯号。对于一个非特定的接收端, FHSS所产生的跳动讯号对它而言, 只能算是脉冲噪声而已。

nRF24LE1的信道带宽同样是1MHz,它将整个2.4GHz ISM频段分为125个有效信道。频率稳定的系统在一定的频段工作, 而跳频系统在整个2.4GHz 频段范围都会产生影响。在 2.4GHz 频段工作的系统其数据发送都是基于数据包的。如果跳频系统在某个时刻占用了某频道, 那它在其他时间占用整个频段的任何其他频道的概率是相同的, 也就是说发生冲突的概率是相同的。因此 nRF24LE1 与跳频系统的工作发生冲突时没有必要改变自己的工作频道;而干扰来自频率稳定的系统时, 需要跳转到另一个与该系统发生冲突概率较小的频道。只有当受到持续的干扰时才跳转到另一个信道，这便是频率捷变技术。

基于以上的分析, 可以归纳出如下的跳频规则: 1) 监测到当前信道的持续干扰；

2) 跳转到受到自同一干扰源的干扰概率较小的信道； 3) 如果干扰来自其他的跳频系统, 则不进行跳频。

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5.2 无线抗干扰设计

nRF24LE1 集成了载波监测功能, 可以准确地监测当前工作信道是否有干扰, 保证了在 W- LAN 环境下可靠地工作。其 SPI 接口与外接微控制器的通信速率可达10Mbps, 具有高速度和独特的切换时间, 减少了与跳频系统如蓝牙出现时碰撞的可能。

发送数据接收模式，载波监听进入接收模式，是否收到主机的ACK？接收到是否为乱码？否数据处理，并发送ACK是否是再次发送数据接收模式，继续载波监听接收到的是否仍为乱码？是否数据处理，并发送ACK进入接收模式，是否收到主机的ACK？是否改变信道改变信道

图5.2 主节点跳频流程 图5.3 从节点跳频流程

本系统采用nRF24LE1的Enhanced ShockBurst模式进行通信，主节点接收和从节点发送方案如下:

对于主机节点，如图5.2所示，始终处于载波检测状态，当仅收到一次乱码干扰的时候，可能是与蓝牙系统发送冲突，主机不必改变信道；当持续收到当前频率的乱码干扰时，说明收到的不是脉冲干扰，而是稳定的干扰，这时nRF24LE1需要按照已设定的信道列表跳转到另一个信道。

对于从机节点，如图5.3所示，发送完数据后等待主机的ACK，如果没有收到ACK，表示发送失败，则在相同信道上重发三次。由于蓝牙系统在每个信道上

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停留的时间为650us ，而nRF24LE1一次动作 (即发送数据并等待接收对方ACK的时间) 大约为 1ms , 因此如果第一次发送失败是由于与蓝牙系统发生冲突, 那么第二次发送一般可以顺利到达接收方。如果三次发送均失败, 说明受到的不是脉冲干扰，而是稳定的干扰, 这时nRF24LE1需要按照已设定的信道列表跳转到另一个信道。事先将所有想要使用的信道做成列表, 在需要跳频时查表即可。

第六章 无线通信协议

6.1介质访问控制协议设计

为了实现在同一范围内多点间通信，需要考虑防止数据包在大气中传输时相互碰撞。为了建立可靠的无线传输通路，必须采用各种方法。无线通信中避免多节点无线通信冲突常用的办法有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、 跳频（FHSS）、载波监听（CSMA）等。

频分多址（FDMA）技术将可用的频率带宽拆分为具有较窄带宽的子信道，这样每个子信道均独立于其他子信道，从而可被分配给各个发送器。FDMA因为系统有自己的专门频道，所以非常低的系统同步要求，软件控制比较简单，实现相对容易。但是，子信道之间必须间隔一定的距离以防止干扰，造成频带利用率不高；当用户处于空闲状态时，会导致带宽的浪费。对于本系统星型网络而言，频分多址可以避免通信冲突问题，但是，随着节点的增多，单一的主机节点必须增加监听的信道数目，从而使通信效率下降。

时分多址（TDMA）是在同一信道，把不同地址发送的信号按照时间间隔的方法进行传输的一种无线通信方式。TDMA通信质量高，保密性较好，系统容量大；节点在不需要进行数据收发时间段，相关无线节点可以关闭，以降低节点电池消耗；可以使用多个时间片，提高数据传输速度；频道资源利用率大大高于FDMA。但是, TDMA必须有精确的定时和同步以保证发送端和接收端间正常通信，技术上比较复杂；在突发性传送时，需要信号处理技术和高通信余量。对于本星型网络而言，时分多址在避免通信冲突并关闭非时段的节点降低功耗，但是，其需要精确的定时和同步和高通信余量，都会增加系统的复杂性。

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跳频（FHSS）是收发双方传输信号的载波频率按照预定规律进行离散变化，也就是说,通信中使用的载波频率受伪随机变化码的控制而随机跳变。与定制通信相比，跳频通信比较隐蔽且难以被截获——只要对方不清楚载频跳变的规律,就很难截获我方的通信内容。FHSS不是抑制干扰，而是容忍干扰。每个数据包都会被校对，如果它被破坏，这个数据包将不能再用，随后使用下一个传输频率的通信会提供正确的数据包。因而FHSS传输速度较慢却稳定可靠。对于本系统而言，跳频可以提高通信的安全性和可靠性，但是，跳频通信需要通信双方都一直在线，这样不利于系统低功耗实现。

载波监听（CSMA）比起前面的FDMA、TDMA、FHSS，能更好的利用资源，因为这种通信方法在发送数据之前，一直在检测大气中是否存在相同频率的载波。如果在当前时间中有相同频率的载波，就不发送数据；如果大气中没有相同频率的载波，表明现在空间资源没有被占用, 可以发送数据。这样不仅提高了空间资源的利用效率，也提高了通信的可靠性。CSMA既是一种争用型的介质访问控制协议，又是一种分布式介质访问控制协议，网络中各个节点都能独立的决定数据帧的发送与接收。每个节点在发送数据之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送数据帧。如果两个以上的节点同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，发送的帧为无效帧，应停止发送，以免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费；然后根据节点的ID号延时一段时间后，再重新争用介质，重发数据。

相对来说，CSMA原理比较简单，技术实现容易，网络中各工作站处于平等低位，不需集中控制, 不需提供优先权。因此，如图6.1所示，本系统采用载波监听和据ID号延时的方法来实现一对多的无线数据传输。

准备发送数据根据ID号相应延迟Y载波监听RPD = 1？N发送相应数据 图6.1 载波监听流程图

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本系统采用载波监听具有诸多优点。比较简单，技术容易实现，可以提高开发效率；无用节点可以睡眠，达到低功耗功能。

6.2 通信协议设计

首先，要设定表2.2增强型ShockBurst包格式中载荷的数据结构，如表6.1所示。

帧头 1 byte 类 ID 1 byte 设备ID 1 byte 数据长度 1 byte 数据 0~26 byte 总帧数 1 byte 帧号 1 byte

表6.1 载荷的数据结构

? 帧头：通过帧头来判断数据的类型，有：主机申请数据；传感器触发；加入

网络；退出网络；广播信号。根据不同的帧头，确定对载荷采取不同的处理。 ? 类ID：划分不同类型的设备。 ? 设备ID：划分同类型的设备。

? 数据长度：为数据的长度，取值为0~26。 ? 数据：0~26 byte。

? 总帧数：一个数据包总帧的个数。 ? 帧号：表示现在传输的是第几帧数据。

帧头，ID号，数据长度，数据都由ARM处理器部分通过SPI发过来；单片机再通过SPI传给RF部分，RF部分再自动的把它组装成无线传输的数据格式，通过无线传输；总帧数和帧号，可以保证断点续传。

如表6.2所示，为针对此监控项目所设计的通信协议。

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序号 同步时段 主机索取数据（点到点数据交换时段） 主机发送；主机发主机接主机接收；主机接主机先从机接收 送；从机收；从机从机发送 收；从机发送后接收 发送 发送 接收；从机先接收后发送 0xDD 0xFF 0xEE 0x88 0xB0 0x80 对于广播信号，类ID和设备ID全为oxFF，则全部节点都可接收到此帧；再判断Data1和Data2是否和自己的匹配，若匹配，则执行Data3的命令，并在从机申请数据长传时段把主机所需状态信息传给主机。（Integrated Camera Unit在从机申请数据上传时段，上传自己的准备状态，在点到点数据交换时段才进行图片数据的交换） Integrated Camera Unit 0x11；Remote Sensor IR Unit 0x22； Door / Panic Alarm 0x33；Remote Equipment Switch 0x44； remote controller 0x55. 从机的设备ID由主机指定。在加入网络申请帧里，从机的此值为0xFF；当主机给申请的从机确认信息帧里，包含给其分配的设备ID。 0x04 0x04 0x04 0x04 0x04 0

—— —— —— —— 对于遥控器，其命令帧头为0xAA，无论主机何时收到次命令都会优先传输给ARM主机进行处理。初次同ARM主机进行配对，配对完成后，绑定其MAC

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地址。其命令格式另外定义。

点到点数据交换时段仅为Integrated Camera Unit向主机传输图像数据时段。 ? （注释1）在点对点数据交换时段，总帧数最大为255，最多传输6885Byte。

所以，可以通过控制帧头以达到传输多次的作用。主机索取数据帧头为0x80。但是，要传输数据的节点，当数据<6885B时，从机传输的帧头仍为0x80；当>6885B时，传输给主机的帧头为以0x60开头，到0x6F，共可传输16*FF个Btye。（？？） ? （注释2）命令类型：

0x11：报告从机自己的基本状态；

0x22：向Integrated Camera Unit索取图像命令； 0x33：对Remote Equipment Switch的具体控制；

? （注释4）从机申请数据上传时，一方面，除了Integrated Camera Unit外的

所有节点分机，把自己的信息状态发送给主机；另一方面，Integrated Camera Unit只是上传自己的准备状态，在点到点数据交换时段才进行图片数据的交换。

? （注释5）问题包括：0x11：传感器被触发； 0x22：门传感被触发； 0x33：

紧急呼叫； 0x44：电量不足

参考文献

[1] 谭晖.nRF无线SOC单片机原理与高级应用[M].北京:北京航空航天大学出版

社,2009.

[2] 曹勇，杨涛，冯月晖. 基于nRF24L01的超低功耗无线传感器网络节点设计

[J]. 电子技术应用,2008,(7):45-48.

[3] nRF24LE1_Product_Spec_v1_2.pdf. [EB/OL]. 2009.3.

http://www.nordicsemi.com/index_popup.cfm?obj=product&act=displayWhitepapers&pro=95&con=data_sheets

[4] 李晓东，卫建华.nRF24xx频道避撞及频率捷变技术的实现[J].西安工程科技

学院学报,2007,(2).226-229

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[5] 喻金钱，喻斌.短距离无线通信详解—基于单片机控制[M].北京:北京航空航

天大学出版社,2009.

[6] 李文仲，段朝玉.短距离无线数据通信入门与实战[M].北京:北京航空航天大

学出版社,2008.

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/8k06.html