1、本科生毕业论文（设计） 基于2.4GHz射频的无线串口通信设计 院系名称姓名学号专业指导教师 . 年5月1日摘 要本文介绍了一套基于2.4GHz，结合nRF24L01无线通信模块的无线数据传输系统。nRF24L01无线通信系统是基于nRF24L01无线收发芯片，以STM32F103单片机为核心的半双工无线通信系统，文中详细阐述了该无线通信系统的硬件和软件设计。该系统主要由一个nRF24L01无线通信模块组成，在硬件基础上，结合nRF24L01的特点，实现了两个nRF24L01无线通信模块之间的通信。关键词：nRF24L0l；STM32；无线通信 Abstract This paper intr
2、oduces a wireless communication system , a system based on 2.4Ghz, combined with nRF24L01 wireless communication module . nRF24L01 wireless communication system is based on nRF2L01 wireless transceiver chip, half duplex wireless communication system with a control core of STM32F103 MCU.This paper de
3、scribes the hardware and software design of the wireless communication system. The system mainly consists of a nRF24L01 wireless communication module, basing on the hardware and combining with the characteristics of nRF24L01, and realize the implementation of communication between two nRF24L01 wirel
4、ess communication modules .Key words：nRF24L01，STM32，Wireless Communication 目 录 摘 要- 2 -Abstract- 3 -1 引言12 nRF2401无线通信系统设计方案与论证22.1 CPU的选择22.2 无线通信模块的选择22.3 显示模块的选择22.4 系统整体的最终方案22.5 系统工作流程图32.6 关键技术43 nRF2401无线通信系统的硬件设计43.1 nRF24L01 引脚介绍43.2.nRF24L01与STM32的接口设计54 nRF2401无线通信系统的软件设计64.1 nRF24L01无线通信
5、分系统的软件结构64.1.1 nRF24L01无线通信模块软件74.1.2.nRF24L01无线通信模块数据发送与接收74.2初始化程序的设计84.2.1 RCC时钟初始化配置94.2.2nRF24L01初始化配置104.3 nRF24L01无线通信软件设计104.3.1 nRF24L01射频芯片特性104.3.2 SPI的读写程序144.3.3 nRF24L01发送程序设计154.3.4 nRF24L01接收程序设计165 nRF24L01无线通信系统的调试与实现185.1 nRF24L01无线通信系统调试185.1.1 硬件调试185.1.2软件调试185.2 nRF2401无线通信系统总
6、体调试186 总结206.1 nRF2401无线通信系统的功能实现206.2 nRF2401无线通信系统功能展示206.2.1 发送数据206.2.2 接受数据216.2.3 最远有效通信距离226.3结论227参考文献238致谢241 引言伴随信息技术的快速发展，人们对通信技术的需求越来越多，摆脱有线网络从而实现无线通信一直是大家关心的问题，当今世界无线通信越来越热，应用非常广泛，使人与人之间的通信更加方便快捷，具有巨大发展前景。本文基于STM32微处理器，结合nRF24L01无线通信模块的通讯的核心，设计了无线通信系统。方案广泛应用于布线繁锁以及不允许布线的地方，目前在无线标签、身份识别、
7、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统等应用领域，都采用了无线方式进行远距离数据传输。本传输系统采用Nordic公司推出的工作于2.4GHz 频段的nRF2401 射频芯片。nRF2401 射频芯片没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，以及其较为廉价的特点而被广泛运用。nRF2401具有成本低，功耗低，软件设计简单以及通信可靠等优点。222 nRF2401无线通信系统设计方案与论证2.1 CPU的选择本设计中MCU使用的CPU是STM32F103xx增强型系列。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M内核。增强型系列
8、时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品。具有丰富的增强型I/O端口和连接到两条高性能外设总线（Advanced Peripheral Bus，APB）的外设。片上集成了高速存储器，通过APB总线连接了丰富、增强的外设和IO。所有的设备都提供标准的通信接口。最大功耗118mW，待机功耗7uW，属于高性能低功耗微处理器，在很大程度上提高了系统设计的nRF24L01无线通信分系统的工作性能。2.2 无线通信模块的选择nRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。用于短距离无线数据传输。该芯片内部集成了2.4GHz无线收发内核。体积
9、小，功耗较低，外围电路简单。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI 接口进行设置。几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为0dBm 时电流消耗为11.3mA ，接收模式时为12.3mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。nRF24L01芯片已经被广泛应用到键盘、遥控器等小型电子设备以及安防系统、门禁系统、遥感勘测系统等大型系统中。2.3 显示模块的选择 LED数码管具有响应时间短，对环境没有污染，廉价，编程简单等优点，完全适用于本次设计的要求，所以采用LED显示。2.4 系统整体的最终方案LED显示显示nRF24L01无线通信模块中
10、心模块 综合考虑以上各个模块的设计方案，nRF24L01无线通信系统的系统结构框图如下：LED显示中心模块nRF24L01无线通信模块 根据功能不同，可以把整个系统分为中心模块、nRF24L01无线通信模块、LED显示模块。中心模块为STM32，主要功能是控制nRF24L01无线通信和LED显示。nRF24L01无线通信模块与中心模块连接。LED显示模块显示数据。2.5 系统工作流程图 当按下某一键时，STM32控制LED显示相应的数字，同时通过nRF24L01将该数字发送出去，另一个nRF24L01接收到该数字，经由STM32显示于数码管上。本系统的工作流程图如下：结束LED显示LED显示中
11、心模块nRF24L01无线通信模块nRF24L01无线通信模块中心模块按下键盘开始图2.2 系统工作流程图2.6 关键技术 在本系统中，使用的关键技术如下：1. 基于ARM7的STM32微处理器控制2. nRF24L01 2.4G通信3. 矩阵键盘4. LED显示3 nRF2401无线通信系统的硬件设计 本次设计使用的硬件主要是STM32开发板和nRF24L01无线通信模块，集成度较高，所以硬件设计的重点就在于nRF24L01与STM32的接口设计。3.1 nRF24L01 引脚介绍 图 3-1 nRF24L01功能框图 nRF24L01 功能框图如图3-3所示，从单片机控制的角度来看，我们只
12、需要关注框图右面的六个控制和数据信号，分别为CSN（PG7）、SCK（PB13）、MISO（PB14）、MOSI（PB15）、IRQ（PG8）、CE（PG6）。 控制线：CSN ：芯片的片选线，CSN 为低电平芯片工作。 SCK ：芯片控制的时钟线（SPI 时钟）。CE：芯片的模式控制线。在CSN 为低的情况下，CE协同NRF24L01 的CONFIG 寄存器共同决定NRF24L01 的状态。IRQ ：中断信号。无线通信过程中MCU主要是通过IRQ 与NRF24L01 进行通信。数据线：MISO：芯片控制数据线（主机输入，从机输出）。 MOSI：芯片控制数据线（从机输入，主机输出）。3.2.n
13、RF24L01与STM32的接口设计 STM32的串行外设接口（SPI）提供与外部设备进行同步串行通讯的功能，通过接口可以被设置工作在主模式或者从模式。nRF24L01的控制电路与STM32控制器的SPI口相连接，以串行方式进行通信以交换信息，实现nRF24L01串行口高速通信。 该射频芯片与MCU的接口原理图如下图3-2所示。图3-2 nRF24L01与MCU接口原理图 nRF24L01芯片的片选线CS与MCU的PB0相连接、芯片的片选线SCK与MCU的PA5相连接、中断信号IRQ与MCU的PB1相连接、芯片的模式控制线CE与MCU的PA4相连接，数据信号引脚MISO、MOSI分别和MCU的
14、PA6和PA7相连接4 nRF2401无线通信系统的软件设计4.1 nRF24L01无线通信分系统的软件结构 无线通信系统的软件模块主要包括，nRF24L01与STM32F103微处理器MCU串行外设接口（SPI ）之间的通信程序，nRF24L01之间的收发程序，矩阵键盘程序，中断程序，数码管的显示程序以及STM32F103微处理器对收发到数据的处理程序。建立在硬件的基础上，软件程序的设计完成了对硬件工作的调度和协调，实现了nRF24L01无线通信系统的通信。如下图4-1所示。矩阵键盘数码管显示 MCUSPI射频芯片 双向通信射频芯片SPI矩阵键盘数码管显示MCU图4-1 nRF24L01无线通信系统软件设计结构4.1.1 nRF24L01无线通信模块软件 nRF24L01无线通信模块所要实现的软件功能有：将主机数码管显示的数据发送到从机，从机进行接收，处理并显示在数码管上。如下图4-2所示通过nRF24L01接受数据Nrf24L01无线通信模块 显示于数码管图4-2 nRF24L01无线通信模块软件结构
