nRF24L01无线通信系统设计

nRF24L01无线通信系统设计

学院：电子信息学院

专业：电子信息工程

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摘要

本文介绍了一套基于STM32微处理器，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。

关键字：nRF24L0l；STM32；无线通信

Abstract

This paper introduces a wireless communication system , a system based on STM32 microprocessor, 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 describes 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 wireless communication modules .

Key words：nRF24L01；STM32；Wireless Communication

前言

无线方案适用于布线繁杂或者不允许布线的场合，目前在遥控遥测、门禁系统、无线抄表、小区传呼、工业数据采集、无线遥控系统、无线鼠标键盘等应用领域，都采用了无线方式进行远距离数据传输。目前，蓝牙技术和Zigbee技术已经较为成熟的应用在无线数据传输领域，形成了相应的标准。然而，这些芯片相对昂贵，同时在应用中，需要做很多设计和测试工作来确保与标准的兼容性，如果目标应用是点到点的专用链路，如无线鼠标到键盘，这个代价就显得毫无必要。

本无线数据传输系统采用挪威Nordic公司推出的工作于2.4GHz ISM 频段的nRF2401射频芯片。与蓝牙和Zigbee相比，nRF2401射频芯片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。更重要的是，nRF2401射频芯片比蓝牙和Zigbee所用芯片更便宜。系统由单片机

STM32F103控制无线数字传输芯片nRF2401,通过无线方式进行数据双向远程传输,两端采用半双工方式通信，该系统具有成本低，功耗低，软件设计简单以及通信可靠等优点。

一、nRF2401无线通信系统设计方案与论证

1.1 CPU的选择

本设计中MCU使用的CPU是STM32F103xx增强型系列。

STM32系列微控制器是由ST意法半导体公司一ARM Cortex-M3为内核开发生产的32位微控制器（单片机），专为高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计。工作频率为72MHz，内置高速存储器（最高可达512K字节的内存和64K字节的SRAM），可以用于存储程序和节点在工作过程中采集到的数据和无线传输的数据。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。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，可实现nRF24L01串行口高速通信，通过接口可以被设置工作在主模式或者从模式。该系列单片机还内置了快速的中断控制器，使得中断间的延迟时间大大降低。因此系统设计中选用STM32F103RBT6微处理器拥有如下如下优点：

7组16位GPIO口、5组USART串口、多个外部中断口；

外设包含多个定时器、SPI通信口、FSMC液晶控制口、12位ADC转换口；

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。

1.2 无线通信模块的选择

系统选用nRF24L01无线射频收发模块来实现nRF24L01无线通信分系统的通讯，它使用Nordic公司的nRF24L01芯片开发而成。nRF24L01 是一款工作在2.4~2.5GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片，集无线收发一体可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。体积小，功耗较低，外围电路简单。单收发，使用GFSK调制方式，内置了链路层，具有自动应答以及自动重发功能，地址及CRC检测功能，数据传输为1或2Mbps，使用SPI接口与微控制器连接进行芯片的配置和数据的传输，SPI接口的数据速率0~8Mbps，具有125个可选的射频通道，工作电压为1.9~3.6V。无线收发器包括: 频率发生器增强型SchockBurst TM模式控制器功率放大器、晶体振荡器调制器、解调器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，

极低的电流消耗当工作在发射模式下发射功率为-6dBm 时电流消耗为9.0mA 。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无线鼠标、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，这些设备已占有很强的市场优势，相关技术也已趋于成熟。随着人们对低成本无线网络需求的不断增强，目前国内外研究机构已对nRF24L01在组网技术上的研究已形成新的热点，并在相关领域取得一定成就，因此本次设计中选择此射频芯片进行无线通信，以确保短距离通信的有效性和可靠性。

1.3 显示模块的选择

LED 数码管具有功耗低，亮度高，显示稳定，编程简单等优点，完全可以满足本次设计的要求，所以采用LED 显示。

1.4 系统整体的最终方案

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：

图1.1 系统结构图 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。

1.5 系统工作流程图