基于nRf2401和CP2102的USB2.0无线测控网络

0 前言

　　现在，越来越多的无线技术被应用到自动控制系统中。nRf2401是挪威Nordic公司推出的单片2.4GHz无线收发一体芯片，支持多点间通信，最高传输速率达到1Mbit/s，可以用于无线网络中。

　　USB2.0口传输速率是480Mbps，有即插即用和热插拔功能。接口提供内置电源，可以向外设提供5V和最多500mA的电源。因此在以计算机为上位机的控制系统中，USB口比较适合作为计算机与测控网络的接口。

　　USB接口器件的开发过程比较复杂，开发者需要知道USB协议、USB设备驱动程序开发、主机应用程序开发等知识，使用USB-UART桥接电路CP2102可以避免上述麻烦。

　　1系统的设计思想及nRf2401和CP2102介绍

　　系统的设计思想如图1所示。系统是由 CP2102、nRF2401、单片机等组成。

　　图1  系统设计思想

　　nRF2401是业界体积最小、功耗最低、外围元件最少的低成本射频芯片。有125个频道，速率(0~1Mbps)、发射功率和工作频率等所有工作参数可编程设置。每个芯片可以通过软件设置最多40bit地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据。内置CRC纠检错硬件电路和协议。nRf2401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。工作于2.4～2.5GHz ISM自由频段，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。

　　CP2102是美国Silicon公司生产的高集成度USB-UART桥接电路。它们能够用最简单的外部电路、最少的外部器件简便实现USB2.0到UART的转换。

　　使用CP2102作为USB接口器件最大的特点是开发方便：①厂商免费提供适用于Windows(含Windows CE)、Linux等操作系统的驱动程序。驱动程序将计算机的USB口虚拟成一个COM口，计算机使用普通操作串口的命令访问虚拟COM口。②内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、48MHz内部晶体振荡器、1KB字节 E2PROM及异步串行数据总线（UART），电路无需任何外部的USB器件。③CP2102的UART接口波特率为300bps～921.6kbps，可以满足无线网络的传输要求。

　　2硬件电路的实现

　　上位机系统电路如图2所示。单片机选用ATmega16，是ATMEL公司生产的高性能、低功耗的8 位AVR® 微处理器，采用先进的RISC 结构，数据吞吐率高达1 MIPS/MHz。片内集成有16K 字节可编程Flash、512 字节的E2PROM、1K字节的SRAM、两个可编程 的串行UART和可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口。

　　图2 上位机系统电路

　　CP2102无需外部电阻和晶体，VBus与REGIN引脚连到USB接口的Vbus端，在REGIN端加1μF的去耦电容。CP2102与单片机接口是标准UART电平，RTX、TXD引脚分别是串口的接收、输出端，与单片机的对应引脚相连。CP2102的USB端与计算机的USB口连接。CP2102的SUSPEND脚是USB口挂起信号端，接到单片机的PC4引脚。

　　图3 无线收发模块

　　上位机所有器件均由计算机的USB口提供电源。ATmega16L的电源电压范围为2.7～5.5V，nRF2401的电源电压范围为1.9～3.6V，利用计算机USB口的+5V电源，通过MIC2937A芯片将电压转换为3.3V。

　　无线收发模块电路如图3所示。nRf2401外围元件很少，可使用单鞭天线或环形天线，电感需要采用高Q高精度的贴片绕线高频电感，晶体需采用高稳定晶体，电容应选用高稳定贴片元件。nRf2401通过SPI接口与单片机进行通讯，ATmega16集成了SPI接口（CLK、MISO、MOSI引脚），与nRf2401的CLK1、DATA相连接。nRf2401的CS是片选端，CE是发送或接收控制端，PWR_UP是电源控制端，分别由单片机的PC5、PC6、PC7引脚控制。nRf2401的DR1为高时表明在接收缓冲区有数据，接单片机的中断引脚。

　　3 单片机程序设计

　　3.1单片机对串口的编程

　　ATmega16集成有串口，使用前需要先对它进行初始化。具体过程如下：①UCSRA=0，异步正常模式；②UBRR=1，设置波特率为500Kbps;③UCR= 0x98，使能接收中断，允许发送；④SREG=0x80;//开中断。

　　初始化后，可以通过串口与CP2102进行数据交换。采用中断方式接收，当有串口数据到达时单片机产生中断，单片机响应中断从接收缓冲器读入数据。串口接收中断程序如下：

　　#pragma interrupt_handler uart_rec:8

　　unsigned char i;

　　void uart_rec()

　　{i=UDR;}

　　串口发送程序如下：①UDR=1，发送数据；②while(!(USR&0x40))，等待发送结束；③USR&=~0x40，清发送完标志。

　　3.2单片机对nRf2401的编程

　　单片机对nRf2401的编程包括对nRf2401进行配置、发送数据、接收数据等程序。

　　当PWR_UP=1、CE=0、CS=1时nRf2401进入配置工作状态。配置字最高可达18字节，作用是使nRf2401子系统能够处理RF协议。配置字从最高位开始，依次通过SPI接口（CS、CLK1和DATA）送给配置寄存器。本系统配置为ShockBurst方式，配置字分为如下四块：有效数据宽度（DATA2_W和DATA1_W）、地址宽度（ADDR2和ADDR1）、接收频道地址（ADDR_W）、CRC配置（CRC_L和CRC_EN）。其值从高到低分别为8EH, 08H, 1CH, 20H, 50H, 0AH, 0

BH, 0CH, 0DH, 0EH, 0AAH, 28H, 0AH, 0BH, 0CH, 0A3H, 6FH, 65H。配置后nRf2401的通道1数据段长度80bit(其中nRf2401的序列号8byte + 2byte温度数据)，地址段长度40bit，通道1硬件地址0AAH, 28H, 0AH, 0BH, 0CH，启用16位片上校验功能，单通道接收，突发传递模式，通信速率1Mbit/s，晶振频率16MHz，工作频段2.450GHz，开始处于接收状态。

　　当PWR_UP=1、CE=1、CS=0时为收发方式。ShockBurst发送过程如下：①CE=1，nRf2401开始工作；②将接收节点地址写入nRf2401；将需要发射的数据写入nRf2401；③CE=0，激活ShockBurst发送。

　　通过中断方式接收数据。当有数据需要接收时，nRf2401会将DR1置高产生中断信号，接收完毕后DR1又会被置低。首先配置中断0为上升沿触发方式（ISC01=1， ISC00=1），具体接收过程如下：①校验接收到的RF包的地址和欲接收的RF包中有效数据的长度；②CE=1，激活RX；③经过200μs处理，nRf2401子系统监视启动并等待信号的到来；④当收到一个有效的数据包（正确的地址和CRC），nRf2401子系统移去前缀、地址和CRC位；⑤nRf2401子系统通过把DR1置高，产生中断信号；⑥CE=0，RF设为低功耗方式；⑦单片机取出有效数据，需要注意的是，每接收一个字节需要先写0xff 到nRF2401。

　　完整的射频数据包由四部分组成：前缀、地址、有效数据和CRC。前缀一般是8位（也可以设置为4位，由地址的首位决定）。如果地址的首位是0，前缀为01010101；如果地址的首位是1，前缀为10101010。ShockBurst方式下，CP2102接收到有效的数据包后，自动移去前缀、地址和CRC，只留有效数据。

　　4 计算机控制软件的编程

　　当把CP2102与计算机连接时，系统会提示发现新硬件，并要求安装驱动程序，执行CP2102驱动程序的安装文件即可。驱动程序安装后，在设备管理器中会有CP2102虚拟的COM口（一般是COM3）。

　　VB开发环境集成有串口控件MSComm，该控件是将RS-232的初级操作予以封装，用高级的Basic语言即可实现串口数据的发送和接收[2]。

　　首先向工具箱添加MSComm控件，并产生一个串口对象，取对象名为“MSc”。然后编程对MSc进行初始化，步骤如下：①MSc.CommPort=3， 选择安装驱动程序后计算机虚拟的COM3口；②MSc.Settings = "500000,n,8,1"，设置通信波特率是500kbps，无校验，8位数据，1位停止位；③MSc.InputMode=1，数据以二进制形式存取；④MSc.RThreshold=1，每收到1个字符都触发接收事件；⑤MSc.PortOpen=True，打开串口。

　　发送数据只是向控件的Output属性写数据即可，既MSc.Output=输出的数据。

　　接收数据采取事件驱动方式，程序代码如下：

　　Public Sub msc_OnComm()

　　Select Case MSc1.CommEvent

　　                     Case comEvReceive

　　                                 av = MSc.Input  ‘接收数据

　　                                 ……‘根据接收的数据进行处理

　　End S

       elect

　　   End Sub

　　5 结束语

　　本系统通过CP2102实现USB2.0接口，通过nRf2401通实现无线数据收发，具有开发简单、可靠性高等特点，传输速率可以达到900kbps，在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。本文的创新点：系统使用CP2102芯片实现USB2.0接口，芯片厂商免费提供驱动程序，计算机端程序开发方便。使用nRf2401实现无线数据收发，有内置地址设置、CRC纠检错、工作于自由频段优点。文章给出详细的硬件电路和软件程序。

　　参考文献

　　[1] Silicon Laboratories Inc.CP2102 Product Data Sheet, http:// www.silabs.com，2006

　　[2] 范逸之等.Visual Basic与RS-232串行通信控制.北京:中国青年出版社，2002.1

　　[3] nRF240x Configurator User Guide. Nordic VLSI document, Nordic Cooperation.

　　[4] 彭祖林,邓罗根,刘细华.用于测量体温的无线实时监测系统的设计与实现[J].微计算机信息,2005,1:59-61