1、 自控仪器箱无线收发接口的设计摘要: 本文主要介绍了在自控仪器箱上选用了低功耗无线数据传输接口的分析和设计。在分析对比常用有线技术的优缺点基础上，介绍了一种基于单片机和nRF24L01射频芯片高速无线数据传输系统。详细讲解了系统的硬软件设计，并给出了相关硬件电路原理图及单片机软件流程图和部分关键代码。系统选用了低功耗的MSP430系列单片机作为控制器，无线数据传输模块采用了同耗的射频通信芯片NRF24O1。利用NRF2401提供的通信模式进行数据通信。以MSP430FG4618单片机为核心,设计了一个进行数据采集,无线数据收发模块NRF24L01进行数据传输的系统。给出了硬件构成、软件设计及部
2、分程序。该模块电路简单，使用方便，有采样精度高，可靠稳定、功耗低等优点，能较好地实现数据的串行采集和无线传输同时系统程序部分充分利用MsP43O系列单片机提供的低功耗模式以降低系统的总功耗，此外本文就各模块芯片的通信协议以及对应的程序也进行了具体的分析。关键词：无线数据传输，MSP430，NRF24L01The design of wireless data communication on the Control instrument boxAbstract :The main purpose of this paper is to introduce the analysis and de
3、sign of wireless data communication on the Control instrument box In analyzing the undation of contrasting the in common use wireless technical merit and shortcoming，introduced one kind to deliver system towards ordering a high-speed wireless data according to the ordering of the machine and the nRF
4、24L01 radio frequency chipExplained in detail the hard software design of system in detail，and give a related hardware electric circuit principle diagram and single slice of machine software flow chart and parts of key codes.This system is composed of the 1ow_power MCU of MSP430NRF2401 used for RF c
5、ommunicationThe software is the mode of communication provided by the NRF2401，which is chosen to complete the communications in the system This paper presents a mew module based on MSP430FG4618 is applied for data collection and wireless receive。and transmission chip NRF24L01 is applied for data tra
6、nsmission, meanwhile this paper provides the hardware structure，software design and some proceduresThis module has the advantages of easy circuit， convenience to use,high sample accuracy,reliability and low powerAt the same time，the sleeping modes provided by the MCU are fully utilized to reduce the
7、 systems power consumption In addition，the communication protocol and the program of the chips are a1so analyzedKeywords ： Wireless data communication ，MSP430，NRF24L01第 I 页 共 II 页目 录第 1 章 绪 论 11.1 研究背景、目的及意义 .11.1.1 研究背景 .11.1.2 研究目的 .11.1.3 研究意义 .21.2 本论文的研究内容 .2第 2 章 无线数据传输技术 42.1 无线通信技术发展的历史 .42.
8、2 国内无线通信技术的发展 .62.3 国外无线通信技术的发展 .62.4 无线通信技术的发展趋势 .7第 3 章 系统器件选择 .93.1 系统设计总体方案 .93.2 硬件的选择与说明 113.2.1 MSP430FG4618 介绍 .123.2.2 NRF24L01 介绍 .143.2.3 无线数据收发模块介绍 17第 4 章 硬件电路设计 .204.1 主控制器电路 204.2 无线收发模块电路 214.3 电源电压转换电路 21第 5 章 软件设计 .225.1 主程序模块 .225.2 各模块程序流程设计 .245.2.1 无线通信测试程序 .245.2.2 数据处理流程 .255
9、.2.3 收发数据程序 .29第 II 页 共 II 页 5.2.4 A/D 转换流程 31第 6 章 总结和体会 .33附 录 .34参 考 文 献 39致 谢 .41第 1 页 共 41 页第 1 章 绪 论1.1 研究背景、目的及意义1.1.1 研究背景当今的各种智能化控制系统，比如智能化小区内部的无线抄表系统、门禁系统、防盗报警系统和安全防火系统等，工业数据采集系统，水文气象控制系统，机器人控制系统、数字图象传输系统等等，都离不开数据信息的传输 1。可以说，数据信息传输系统是各种智能化控制系统的重要组成部分。而数据传送的方式大部分采用有线的数据传送方式，例如并行传送、串行传送、CAN
10、总线和Lonworks总线等等。在有线数据传输方式当中，数据的传输载体是双绞线、同轴电缆或光纤。其实，数据传输还可以有无线传输方式，即通过空气或真空实现数据传送。相比于传统的有线数据传输方式，无线传输方式可以不考虑传输线缆的安装问题，从而节省大量线缆，并且降低施工难度和系统成本，是一个很有发展潜力的研究课题 2。而近年来，自控仪器箱的通信接口多为232串行接口或并行接口，在USB接口技术已经很成熟的今天，232串行接口的传输速率已经远远不能满足我们对传输速率的要求。无线数据收发接口在自控仪器箱上的应用，体现出其功能模块完善，设计制作精细，可扩展32位数据传输操作的功能，能够满足我们的需要。目前
11、，随着无线通信技术的迅速发展，各种各样的无线网络已经进入了我们的日常生活与实验学习，线通信系统相比，无线通信系统有建网快速、移动方便、省去布线烦恼等优点，因此当系统的抗干扰性达到要求并且建设成本可以接受时，无线通信技术为人们的首选 3。短距离射频通信技术成为一种热门技术，并已广泛应用于实际中。射频芯片nRF2401，在单片机Msp430的控制下，实现了短距离的无线数据通信。当今的各种智能化控制系统均离不开数据信息的传输。其中，无线数据传输是区别于传统有线传输的新型传输方式，系统不需要传输线缆、成本低廉、施工简单，将单片机和微机配上相应的无线通信接口电路，就可以实现单片机之间或单片机与微型计算机
12、之间的无线数据传输 4。1.1.2 研究目的本文所设计的基于USB无线收发接口的电路能够克服有线通信的缺陷，提高数据传输速率，保障数据传输的可靠性。同时可通过软件配置接收和发送地址，实现数据的第 2 页 共 41 页 无线通信。在一些特殊的应用场合中，单片机之间的远程通信不能采用有线的数据传输，而是需要采用无线数据传输的方式。人们在日常生产、生活和学习中，对于采集的数据传输大多数采用有线方式，但是在实验室或不便于铺设线缆的地区进行数据传输时，采用有线方式就受到了限制，所以本课题的主要研究目的就是在实验室实现自控仪器箱的无线数据传输，进而实现数据的快速、高效传输。1.1.3 研究意义研究自控仪器
13、箱上的无线收发模块，不仅可以满足数据的传输速度，还能大大提高实验室的工作效率和工作质量，在大量减少布线、节省空间的同时，又可以加快数据传输速度，方便实验者进行操作，使得实验者不仅可以获取同步演示实验数据，还能同时观察实验结果。在自控仪器箱上基于无线USB的通讯方式，相对于现在大多数数据传输系统所用的有线通讯方式而言，具有通用性强、组合安装灵活、受地域限制小等优点 5。随着无线技术和USB技术的发展，这种通讯方式将展现出越来越大的优势，对未来自控仪器箱在实验室的广泛应用具有良好的推动作用，对实验室的整体实验水平和研究水平的提高都具有重要意义，而且为数控设备端的通讯开拓一片新的天地，这就是本课题研
14、究的意义。1.2 本论文的研究内容本文利用单片机Msp430FG4618和射频芯片nRF24L01给出了一种近距离无线数据传输系统的具体设计方案，通过自控仪器箱上单片机Msp430FG4618的控制和射频芯片nRF24L01的接收发射数据工作，最终达到计算机与自控仪器箱的数据传输。论文共分五章，根据论文各章节的顺序，具体研究内容安排如下：第一章 绪论，介绍课题研究的背景、目的和意义。 第二章 综述了无线数据通信的方法，并着重介绍了各种无线数据通信的优点、原理。指出无线数据通信模块在军用、民用、实验室等领域有着越来越广泛的应用。第三章 首先介绍了自控仪器箱无线数据传输系统的总体介绍，然后逐个对系
15、统中各部件进行介绍，对其工作原理、性能、应用领域等都做了详尽的描述。第四章 根据自控仪器箱实验对数据传输的要求，对硬件电路设计、数据参数、等进行叙述。 第五章 对程序流程图及主要程序进行介绍。第 3 页 共 41 页 第六章 总结和体会，总结论文的主要工作和创新点，并对下一步工作做出展望，为今后进一步研究指明了方向。第 2 章 无线数据传输技术2.1 无线通信技术发展的历史早在 1897 年，马可尼使用 800KHZ 中波信号进行了从英国至北美纽芬兰的世界上第一次横跨大西洋的线无电报通信试验，开创了人类无线通信的新纪元。在无线通信第 4 页 共 41 页 初期，受技术条件的限制，人们大量使用长
16、波及中波进行通信。20 世纪 20 年代初人们发现的短波通信，直到 20 世纪 60 年代卫星通信兴起前，它一直是远程国际通信的重要手段，并且目前对应急通信和军用通信依然有一定实用价值 6。20 世纪 40 年代到 50 年代产生了传输频带较宽、性能较稳定的微波通信，成为长距离大容量地面干线无线传输的重要手段。模拟调频传输容量高达 2700 路，亦可同时传输高质量彩色电视信号，而后逐步进入中容量至大容量数字微波传输 7。80 年代中期以来，随着频率选择性色散衰落对数字微波传输中断影响的发现及一系列自适应衰落对抗技术与高状态调制与检测技术的发展，使数字微波传输产生了一个革命性变化。特别应该指出的
17、是 20 世纪 80 年代到 90 年代发展起来的一整套高速多状态自适应编码调制解调技术与信息号处理及信号检测技术，对现今卫星通信、移动通信、全数字HDTV 传输、通用高速有线/无线接入，乃至高质量磁性记录等诸多领域的信号设计与信号处理及应用，发挥了重要作用 8。随着国民经济和社会发展的信息化，人们要通信息化开创新的工作方式、管理方式、商贸方式、金融方式、思想交流方式、文化教育方式、医疗保健方式以及消费与生活方式 9。无线通信也从固定方式发展为移动方式，移动通信发展至今大约经历了五个阶段第一阶段为 20 年代初至 50 年代初，主要用于舰船及军有，采用短波频及电子管技术，至该阶段末期才出现 1
18、50MHZVHF 单工汽车公用移动电话系统 MTS。第二阶段为 50 年代到 60 年代，此时频段扩展至 UHF450MHZ，器件技术已向半导体过渡，大都为移动环境中的专用系统，并解决了移动电话与公用电话网的接续问题。第三阶段为 70 年代初至 80 年代初频段扩展至 800MHZ，美国 Bell 研究所提出了蜂窝系统概念并于 70 年代末进行了 AMPS 试验。第四阶段为 80 年代初至 90 年代中，为第二代数字移动通信兴起与大发展阶段，并逐步向个人通信业务方向迈进。此时出现了 D-AMPS、TACS、ETACS、GSM/DCS、cdmaOne、PDC、PHS、DECT、PACS、PCS
19、等各类系统与业务运行，频段扩展至 900MHZ1.9GHZ，而且除公众蜂窝电话通信系统外，无线寻呼系统、无绳电话系统、集群系统、无中心多信道选址移动通信系统等各类移动通信手段适应用户市场需求同时兴起并各显神通 10。第五阶段为 90 年代中至今，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第三代移动通信开始兴起，其全球标准化及相第 5 页 共 41 页 应融合工作与样机研制和现场试验工作在快速推进，包括从第二代至第三代移动通信的平滑过渡问题在内。对于第三代移动 TMT-2000 纷纷参与标准的制定，经多次融合努力在 1999 年 10 月 25 日至 11
20、月 5 日芬兰赫尔辛基召开的 ITU-RTG8/1 第 18 次会议上5 类 RTT 技术标准共 6 种方案成为最终结果。中国的 TD-SCDMA 方案也已成为其中之一。应该指出，UTRAWCDMADS 及 TIAcdma2000MC 的相应起步样机已经诞生，包括以GSM、csmaOne 后向兼容为基础的第二代半过渡设备（G）EDGE、cdmaIS-95BHDR（2.4Mbit/s 峰值速率，64QAM 调制）及 cdma2000-1X 等亦已推出 11。此外，为接续 Internet 移动游览应用的无线应用协议（WAP）与无线连接技术蓝牙（Bluetooth）已经产生。从网络的角度来看，接入
21、网可分成有线接入网和无线接入网、光缆同轴混合接入网、铜线电缆、对绞线、电话（一般为铜线）接入网等等；无线接入技术是近些年迅速发展起来的新技术领域，它从概念上产生了一个重大的飞跃，即不需要缆线类物理传输媒质而采用无线传播手段来代替部分接入网甚至入网的全部，从而达到降低成本、提高灵活性和扩展传输距离的目的。短距离之内的接入技术主要有蓝牙（Bluetooth）、红外线、DECT、IEEE802.11 和共享无线接入协议（SWAP）/HomeRF 等系统。继广域网、局域网之后，最近人们又提出了“无线个域网”。这一新概念将小范围应用提升至网络理论的高度。在短短的时间，WPAN 成为一个受人瞩目的新热点，
22、WPAN 的研究组成立不到 1 上，就演变为 IEEE 的专门工作组 IEEE802.5（即WPANWorkingGroup，于 1999 年 3 月成立），可见其受重视的程度。比较而言，Bluetooth 系统更具有代表性，它正根据 WPAN 的概念向前发展。事实上，Bluetooth和 WPAN 的概念相辅相成，Bluetooth 已经是 WPAN 的一个雏形。从它最初由Ericsson，IBM，Inter，Nokia 和 Toshiba 公司作为原始发起组织而推出，1 年多时间已吸引了近 2000 个国际上有影响的公司参与 12。1999 年底，美国的 4 家公司3COM，Lucent，
23、Microsoft 和 Motorola，与上述 5 公司一样作为 Bluetooth 的发起组织，使它在与 SWAP、IEEE802.11 等类似应用标准的竞争中脱颖而出，发展前景更加明朗。为了推动 Bluetooth 的发展，Bluetooth 的标准是非专利的，Bluetooth 已成为目前通信领域的一个新热点，预计不远的将来就可成为小范围无线多媒体通信的国际标准 13。总之，无线通信技术前景一片光明。 第 6 页 共 41 页 2.2 国内无线通信技术的发展当前，中国是世界各国通信技术运营商和设备制造商关注的焦点，大家都希望在中国的市场上占有自己的发展空间和市场份额。移动通信在中国发展
24、十分迅速，中国移动通信的走向一直为世人所瞩目。1987 年 11 月，我国广东正式开通了第一个 TACS制式模拟蜂窝移动通信系统，实现了移动电话用户“零”的突破。1994 年底，广东又首先开通了 GSM 数字蜂窝移动通信系统，至 1995 年，全国已 15 个省、市也相继开通了 GSM 移动通信网。迄今为止，全国各省、自治区、直辖市面上都建设了 GSM 网，实现了国内和国际的全自动漫游。从 1987 年至今，我国移动电话用户数的增长很快，尤其是 GSM 网更是以人们始料不及的速度在迅猛发展 。这主要是因为 GSM 系统在技术和经济方面均比 TACS 系统有较大的优势，更重要的是我国在 GSM
25、运营领域引入了竞争机制，促进了 GSM 网的发展。我国的移动通信用户已超过了 8000 万，位居世界第二 14。近 10 年来，我国在移动通信领域的科研、设备生产等方面也取得了可喜的进步。国产移动通信设备交换系统、基站和手机等都已经投入生产，并陆续投放市场，第三代移动通信系统的开发和研究也正与世界同步。可见，中国无线通信在运营业与制造业上已取得了第一阶段的成功。2.3 国外无线通信技术的发展随着无线技术和 USB 技术的发展，这种通讯方式将展现出越来越大的优势，为数控设备端的通讯开拓一片新的天地。目前，国外先进的无线通信技术主要有以下几种：1、CDMA 接入技术 CDMA 即 code-div
26、ision multiple access 的缩写，译为“码分多址分组数据传输技术” ，被称为第 2.5 代移动通信技术。目前采用这一技术的市场主要在美国、日本、韩国等，全球用户达 9500 万。CDMA 与 GSM 一样，也是属于一种比较成熟的无线通信技术。CDMA 数字网具有以下几个优势：高效的频带利用率和更大的网络容量、简化的网络规划、通话质量高、保密性及信号覆盖面广等 15；2、DBS 卫星接入技术 DBS 技术也叫数字直播卫星接入技术，该技术利用位于地球同步轨道的通信卫星将高速广播数据送到用户的接收天线，所以它一般也称为高轨卫星通信。其特点是通信距离远，费用与距离无关，覆盖面积大且不
27、受地理条件限制，第 7 页 共 41 页 频带宽，容量大，适用于多业务传输。目前，美国已经可以提供 DBS 服务，主要用于因特网接入，其中最大的 DBS 网络是休斯网络系统公司的 DirectPC 16；3、Zigbee 技术 Zigbee 技术是一种用于控制和监视各种系统的短距离、低速率及低功耗的无线网络技术。以美国 Ti 公司 CC2430 芯片为代表的 Zigbee SOC 解决方案在国内高校企业掀起了一股 Zigbee 技术应用的热潮 17；4、蓝牙技术 蓝牙技术被提出以来，这项低功耗、低成本的无线连接技术已经获得了巨大的发展。目前，在国外公司推出的产品当中，各类测试设备（包括无线测试
28、仪和协议分析仪等）已日趋成熟，但其应用产品还有些问题需要解决:首先要降低成本；其次要实现方便、实用，并真正给人们带来实惠和好处；第三要安全、稳定、可靠地进行工作；第四要尽快出台一个有权威的国际标准 18。5、3G 通信技术 又称为国际移动电话 2000，该技术规定，移动终端以车速移动时，其传转数据速率为 144kbps，室外速率为 384kbps，而室内为 2Mbps。但这并不意味着用户可用速率就可以达到 2Mbps，因为室内速率还将依赖于建筑物内详细的频率规划以及组织与运营商协作的紧密程度。然而，由于无线 LAN 一类的高速业务的速率已可达 54Mbps，在 3G 网络全面铺开时，人们很难预
29、测 2Mbps 业务的市场需求将会如何 19。2.4 无线通信技术的发展趋势21 世纪的电信技术正进入一个关键的转折时期、未来十年将是技术发展最为活跃的时期。信息化社会的到来以及 IP 技术的兴起，正深刻的改变着电信网络的面貌以及未来技术发展的走向。未来无线通信技术发展的主要趋势是宽带化、分组化、综合经、个人化、主要特点体现为以上几个方面：（一）宽带化是通信信息技术发展的重要方向之一。随着光纤传输技术以及高通透量网络节点的进一步发展，有线网络的宽带化正在世界范围内全面展开，而无线通信技术也正在朝着无线接入宽带化的方向演进，无线传输速率将从第二代系统的9.6Kbit/s 向第三代移动通信系统的最
30、高速率 2Mbit/s 发展 20。（二）核心网络综合化，接入网络多样化。未来信息网络的结构模式将向核心网/接入网转变，网络的分组化和宽带化，使在同一核心网络上综合传送多种业务信息成为可能，网络的综合化以及管制的逐步开放和市场竞争的需要，将进一步推动传统的第 8 页 共 41 页 电信网络与新兴的计算机网络的融合。接入网是通信信息网络中最具开发潜力的部分，未来网络可通过固定接入、移动蜂窝接入、无线本地环路入等不同的接入设备，接入核心网实现用户所需的各种业务。在技术上实现固定和移动通信等不同业务的相互融合，尤其是无线应用协议（WAP）的问世，将极大地推动无线数据业务的开展，进一步促进移动业务与
31、IP 业务的融合 21。（三）信息个人化是下世纪初信息业进一步发展的主要方向之一。而移动 IP 正是实现未来信息个人化的重要技术手段，在手机上实现各种 IP 应用以及移动 IP 技术正逐步成为人们关注的焦点之一。移动智能网技术与 IP 技术的组合将进一步推动全球个人通信的趋势 22。（四）移动通信网络结构正在经历一场深刻的变革，随着网络中数据业务量主导地位的形成，现有电路交换网络向 IP 网络过渡的趋势已不可阻挡，IP 技术将成为未来网络的核心关键技术，IP 协议将成为电信网的主导通信协议。随着移动通信通用分组无线业务（GPRS）的引入，用户将在端到端分组传输模式下发送和接收数据，打破传统的数
32、据接入接式。以 IP 为基础组网，开始了移动骨干网 IP 应用的实践 23。回顾无线通信的发展历程，个人通信的移动性与无缝隙覆盖多媒体综合业务需求将愈来愈突出。频谱延伸至毫米波、亚毫米波的电磁“无线光纤”乃至激光与粒子通信范畴的无线通信将有愈来愈广阔的活动舞台及光明的发展前景。市场是发展的驱动力。尽管我国的移动通信和互联网发展十分迅速，但我国目前的移动电话和网络用户普及率还很低，面对我国 12 亿人口，我国在网络规模和容量方面有很大的发展空间。同时，竞争局面的形成，促使运营企业积极拓展新业务、新应用，向用户提供丰富的选择，以满足用户多方面、多层次的需求。我们要积极促进无线领域的科技进步、技术创
33、新，为实现科教兴国战略，增强中华民族的综合国力，为全球信息化及经济全球化环境下的国际社会与全人类的发展而积极贡献力量 24。第 9 页 共 41 页 第 3 章 系统器件选择3.1 系统设计总体方案人们在日常生产、生活中，对于采集的数据传输大多数采用有线方式，但是在实验室或不便于铺设线缆的地区进行数据传输时，采用有线方式就受到了限制。针对这一特点，本文利用单片机 Msp430 和射频芯片 nRF24L01 给出了一种近距离无线数据传输系统的设计方案，最终达到计算机与自控仪器箱的数据传输。自控仪器箱无线收发接口的设计的总体设计框图如图1所示：图 3.1 总体方案设计框图整体设计方案包括计算机，无
34、线数据收发模块 Net-USB2401，自控仪器箱，无线数据收发模块 nRF24L01，单片机 Msp430FG4618 部分。单片机及接口电路用来控制数据的A/D、D/A 转换和数据的传输，自控仪器箱通过无线收发模块把数据传输给计算机显示并储存，计算机则通过无线数据收发模块发送命令，由单片机执行命令进行操作。无线收发模块与单片机的控制最终实现计算机与自控仪器箱的数据无线通信。Msp430 单片机以其高可靠性、高性价比、在工业控制系统、数据采集系统、智能化仪器仪表、办公自动化等诸多领域得到广泛的应用。各个功能模块要解决的问题：1、计算机系统：通过芯 Net-USB2401 和 nRF24L01
35、与下位机收发数据。2、无线收发模块：通过内置各功能模块与模式实现数据的射频无线传输。3、单片机系统：通过无线收发模块与上位机收发数据，同时控制无线数据传输模块。4、外围电路：无线数据传输模块和单片机之间的接口电路，实现数据转换和单片机的控制功能。5、程序：编写单片机控制无线数据传输模块实现单片机的无线数据传输。计 算 机 显 示 USB2401自控仪器箱nRF24L011Msp430A/DD/A模 拟 信 号激励信号第 10 页 共 41 页 根据总体设计绘制单片机工作流程图如下，单片机控制无线通信模块的采集发射数据程序流程如图 2 所示：数据采集完成否初 始 化 各 种 参 数设置 nRF2
36、401 为接收状态，等待命令收到命令，转为发送状态A/D 启动，开始数据采集nRF2401 发送数据 定时器N停止采样，等待下一次中断Y开始图 3.2 数据采集发射部分主程序的流程图单片机控制的无线通信模块采集发射数据，是将自控仪器箱采集到的数据，通过A/ D 转换，以及接口电路发送给 nRF2401，再由 nRF2401 发送数据给 Net-USB2401。单片机控制无线通信模块的接收命令程序流程如图 3 所示：第 11 页 共 41 页 初 始 化 各 种 参 数设置 nRF2401 为接受状态Net-USB2401 转为发送状态是否收到了 USB2401的命令？输出 nRF2401 收到
37、的命令数据传输是否完成由单片机执行命令NYNY开始图 3.3 接收部分主程序的流程图3.2 硬件的选择与说明对于单片机的选择，在众多系列的单片机中优先考虑 MSP43O 系列的单片机，是由于 MSP430 系列单片机的强大处理能力，MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7 种源操作数寻址、4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 这些特点保证了可编制出高效率的源程序
38、 25。在运算速度方面，MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。16 位的数据宽度、125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT 等）。MSP430 系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒第 12 页 共 41 页 只用 6us。超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。单片机 MSP430FG4618 的 10 个端口只需要用两个端口就能满足本电
39、路系统的设计需要，很适合在实验室仪器箱上使用26。本电路系统主要涉及到的 MSP430FG4618 特性如下:6us 的启动时间可以使启动更加迅速 1多达 64KB 寻址空间，包含 ROM、RAM 闪存 RAM 和外围模块。 2通过堆栈处理，中断和子程序调用层次无限制 3源操作数有 7 种寻址模式,目的操作数有 4 种寻址模式 4外部中断引脚：I/O 口具有中断能力 5中断优先级：对同时发生的中断按优先级别处理 6外围模块地址为存储器分配：全部寄存器不占用 RAM 空间，均在模块内 7定时器中断可用于事件计数、时序发生、PWM 等 8看门狗功能 9A/D 转换器（10 位或更高精度）10正交指
40、令简化了程序的开发：所有指令可以用任意寻址模式11已开发了 C-编译器12模块设计思想：所有模块采用存储器分配133.2.1 MSP430FG4618 介绍核心控制芯片单片机 MSP430FG4618 介绍，管脚图如 2 所示：第 13 页 共 41 页 图 3.3 MSP430FG4618 芯片引脚图本系统使用的端口功能介绍：DVCC1：数字供电电源正端，为所有数字部分供电VREF+：参考电压的正输出引脚XT2IN：XT2晶体振荡器输入端口，只有标准晶体可以连接TDO/TDI：测试数据输出端口，TDO / TDI数据输出或编程数据输入端TDI/TCLK：测试数据的输入或测试时钟的输入，保险丝
41、烧断保护装置连到TDI / TCLK TMS：测试模式的选择，TMS用作输入端口为器件编程和测试 TCK：测试的时钟,TCK的时钟输入端口为器件编程和测试RST/NMI：不可屏蔽中断重新输入或输入端口AVSS：模拟电源电压、负极DVSS1：数字电源电压、负极AVCC：模拟电源电压、积极的终端 DVCC1 / DVCC2。P6端口为I/O端口，其他片内外设功能如SPI、UART模式，A/D转换等，P6.7是模拟信号输出，P6.0为通用数字I/O引脚，模拟量输入A712位ADC，DAC.1输出，SVS输入，是模拟信号输入，是自控仪器箱采集到的模拟信号入口P7端口为I/O端口，P7.5与无线收发模块
42、的CE引脚相连，实现片选功能；P7.4与无线收发模块的IRQ引脚相连； P7.3与无线收发模块SCK相连；P7.2与无线收发模块的第 14 页 共 41 页 SOMI相连； P7.1与无线收发模块的MISO相连；P7.0与无线收发模块的CSN相连，实现无线收发模块的片选功能，激活配置模式。使用 MSP430 单片机的注意事项：首先，MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.83.6V 电压。因而可使其在1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流会在 200400uA 左右时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA。其次，独特的时钟系统设计。在 MSP430 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本
43、时钟系统和锁频环（FLL 和 FLL+）时钟系统或 DCO 数字振荡器时钟系统。有的使用一个晶体振荡器（32768Hz）,有的使用两个晶体振荡器）.由系统时钟系统产生CPU 和各功能所需的时钟。并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0LPM4）。在等待方式下，耗电为 0.7uA，在节电方式下，最低可达 0.1uA。系统工作稳定。上电复位后，首先由 DCOCLK 启动 CPU，以保证程序从正确的位置开始执行，保证晶体振荡器有足够
44、的起振及稳定时间。然后软件可设置适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。如果晶体振荡器在用做 CPU 时钟 MCLK 时发生故障，DC0 会自动启动，以保证系统正常工作，如果程序跑飞，可用看门狗将其复位 27。 3.2.2 NRF24L01 介绍核心芯片 NRF24L01 的介绍，图 8 为芯片 NRF24L01 的引脚图，表 2 为芯片NRF24L01 的引脚功能：图 3.4 核心芯片 NRF24L01 引脚图第 15 页 共 41 页 表 3.1 芯片 NRF24L01 的引脚功能引脚号 引脚名称 引脚功能 描述1 CE 数字输入 用于激活芯片的接收或发送模式2 DR2 数据输出 数
45、据信道 2 接收数据准备好输出，表示可以接受数据3 CLK2 数字输入/输出 接收数据信道 2 的时钟输入/输出4 DOUT2 数字输出 接收数据信道 2 输出5 CS 数字输入 片选，用于激活配置模式6 IRQ 数字输出 该脚输出可用于表示数据信道 1 接收数据已准备好7 CLK1 数字输入/输出 数据信道 1 的 3-线接口发送时钟输入和接收时钟输入/输出8 DATA 数字输入/输出 接收信道 1/发送数据输入/3-线接口9 DVDD 功率 数字电源正端，使用适应退藕10 VSS 功率 接地（0V）11 XC2 模拟输出 晶振输入端12 XC1 模拟输出 晶振输入端13 VDD_PA 功率
46、输出 功率放大器电源端（1.8V）14 ANT1 射频 天线接口 115 ANT2 射频 天线接口 216 VSS_PA 功率 接地（0V）17 VDD 功率 +3V DC 电源端18 VSS 功率 接地（0V）19 IREF 模拟输入 参考电流输入端20 VSS 功率 接地（0V）21 VDD 功率 +3V DC 直流电源端22 VSS 功率 接地（0V）23 PWR_UP 数字输入 功率上限24 VDD 功率 +3V DC 电源说明： (1) VCC脚接电压范围为 1.9V3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块。推荐电压3.3V左右。 (2) 除电源VCC和接地端，其余
47、脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连，无需电平转换。当然对3V左右的单片机更加适用了。 (3) 硬件上面没有SPI的单片机也可以控制本模块，用普通单片机IO口模拟SPI不需要第 16 页 共 41 页 单片机真正的串口介入，只需要普通的单片机IO口就可以了，当然用串口也可以了。 (4) 9脚接地脚,需要和母板的逻辑地连接起来；2脚和9脚悬空。 (5) 排针间距为 100mil,标准 DIP 插针，如果需要其他封装接口，比如密脚插针 28。RF24L01有工作模式介绍： RF24L01有四种工作模式：收发模式 、配置模式 、空闲模式、 关机模式，工作模式由PWR_UP register 、PRIM_RX register和CE决定，详见下表3。表 3.2 芯片 NRF24L01 工作模式的选择模式 PWR_UP CE CS工作模式（收发模式 ）1 1 0配置模式 1 0 1待机模式 1 0 0关机模式 1 X X（1）收发模式 收发模式有Enhanced ShockBurstTM收发模式、 ShockBurstTM收发模式和直接收
