基于nRF2401无线通信模块设计的遥控出铝手柄

    谭曲江，冯  杰，冯晓君，王海滨

    （1．中国铝业贵州分公司电解铝厂，贵州贵阳550058;2．北方工业大学；3．中国联通有限公司）摘要：介绍了单片射频收发芯片nRF2401的功能和特点，对目前常用的几种短距离无线通信技术进行了比较分析。详细阐述了nRF2401在遥控手柄中的作用及其硬件和软件设计思路，并给出了部分单片机C程序代码。

关键词：无线通信；nRF2401；应用

引言

在以往的对电解铝车间中多功能天车控制箱进行控制的时候，我们采用的是通过以有线的吊线盒的方式实现的。有线方式传输速度快、数据流量大、可靠性强。但是在现场作业中，天车及其上的设备经常要进行左右、上下、旋转等移动，这样吊线盒与其他设备之间的连接线会很容易被绞断，这给生产带来了极大的不便。因此本文讨论了一种以无线的控制方式代替有线的控制方式，从而改善这一现状。

    目前，短距离无线通信实用技术主要有：红外技术、蓝牙技术、802. llb技术和微功率短距离无线通信技术。

    红外通信技术由于在数据传输过程中两个通信设备之间不能有障碍物，且不能边移动边传输，因此不适合在复杂的工业现场中使用。篮牙技术的有效传输距离小于10 m，更适合鼠标、键盘等设备。802. llb技术标准是无线局域网的国际标准，主要用来组建大型的无线网络，设备比较昂贵。微功率短距离无线通信一般使用数字信号单片射频收发芯片，加上微控制器和少量外围元器件即可构成专用或通用无线通信模块。其功率小、开发简单快速而被广泛应用。本文介绍的nRF2401单片射频收发芯片即使用了微功率无线通信技术。表1所示是这几种通信技术之间的比较。

1  nRF2401功台旨和特性简介

    nRF2401是挪威Nodic公司生产的单片2.4

2  系统设计

    无线通信系统是整个铝电解出铝控制系统中的一个子系统，是针对铝电解系统中方便工人适时操作和记录并显示数据而设计的，系统的结构框图如图2所示。无线通信系统由nRF2401模块和nRF2401遥控出铝手柄两部分组成。两者在硬件设计方面基本相同，在软件设计方面由于通信主体和功能的不同而有所差别。

    无线通信系统硬件部分采用通用的低功耗单片机STC89LE58RD+作为主控芯片，nRF2401为收发模块。nRF2401芯片与单片机的硬件连接电路如图3所示。可通过调整PWR_UP、CE和CS三个引脚的值使nRF2401处于四种不同的工作模式，其四种工作模式的配置如表2。

    为了得到合适的收发距离，电感和电容的参数应适当调整，同时也可以在制作PCB的时候适当增加天线的长度，这里我们使用单鞭天线。为了提高系统的稳定性，应使用高Q和高精度的贴片绕线高频电感，高稳定晶体、高稳定贴片电容。    nRF2401的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，具体选择哪一种收发模式可通过状态字在程序中配置，配置后频道1有效数据的最大长度为256-ADDR_W-CRC，频率为2 400+ RF_CH×1 MHZ，

    在ShockBurst rM收发模式下，nRF2401使用片内的FIFO堆栈区，数据低速从微控制器送入，以高速(1 Mb/s)发射数据，这样可以尽量节能，而且使用低速的单片机也能实现很高的发射数据速率。nRF2401内置CRC(循环冗余校验)纠检错硬件电路和协议，可100% RF检验，发射数据时自动加上处理字头和CRC码，接收数据时自动把字头和CRC码移去。每个芯片可通过软件设置最多40 bit地址，而且只有收到与本机地址一致时才会接收数据。

3  遥控手柄功能设计

    经过以上分析，遥控出铝手柄的具体设计方案是将无线遥控手柄和显示屏功能结合起来使用。

    无线遥控手柄有两排显示屏，第1排显示槽号和单槽指示量，第2排显示单槽实时出铝量。工作时遥控手柄把要进行出铝工作的电解槽的槽号发给PLC，PLC返回这个电解槽的预出铝量给遥控手柄，遥控手柄将槽号和出铝量通过LED显示出来。同时遥控手柄可通过上下查询按钮，查询槽号和单槽指示量。准备工作做好后，按下遥控手柄的启动按钮，PLC开始控制解封出铝工作，并将实际的出铝量实时的发给遥控手柄，显示在第2排显示屏上。

    遥控手柄设计了模式转换开关，可用于出铝GHz无线射频收发一体芯片，工作频率为2.4~2.5  GHz，能够在全球无线市场畅通无阻。nRF2401支持多点间通信，最高传输速率超过1 Mb/s，工作电压为1.9~3.6 V，有125个频道，可满足多频及跳频需要，主要工作参数大都可通过芯片状态字由用户根据需要自行配置。采用SOC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。nRF2401没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解。

    芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块。其DuoCeiver rM披术使其可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。同时芯片能耗非常低，以-5 dBm的功率发射时，工作电流只有10.5 mA，接受时工作电流只有18 mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。因此nRF2401是业界体积最小，功耗最少，外围元件最少的低成本射频系统级芯片之一。

    nRF2401采用5 mm x5 mm的24引脚QFN封装，引脚分布如图1（俯视图）所示。状态和调试状态的转换。同时遥控手柄和PLC系统的握手也可通过按钮或开关键来控制。

4  软件设计

    按照系统硬件的设计，软件设计的思路为：系统上电初始化后，对nRF2401进行配置（初始化），然后系统进入接受或发送的循环。程序流程图如图4所示。nRF2401有144位状态字，其中前24位为测试保留，系统默认为8E081CH，可以不用写入。因此只需对后面120个字节进行配置即可。状态字及其功能如表3所示。

    由于单片机与nRF2401采取的是I/O直接连接，因此在初始化nRF2401时要用软件模拟SPI接口的方式写入状态字。在程序初始可定义：sbitPWR_UP= P3^4; sbit CE= P2“0:sbit CS= P2“1;sbitDRl=P2^2; sbit DATA= P2“3:sbit CLKl=P2^4.

5  结束语

    介绍的无线通信系统在铝电解出铝系统中得到了应用。利用单片射频收发芯片nRF2401作为通信芯片，实现了遥控器的功能，从而使改良后的系统有了远程控制功能，方便了设备的维护等工作，减轻了工人的工作量，提高了生产效益。单片机和nRF2401芯片构成的无线数据传输系统，成本低、体积小、应用灵活、功耗低，县有良好的通用性和可靠性，该系统可推广应用在其他监测和工业控制系统中。