1、清华大学 2012 届毕业设计说明书基于 MSP430 的无线通信系统设计摘要本文介绍了一种基于 MSP430 单片机与 NRF24L01 的无线通信系统设计。该系统由单片机系统、NRF24L01 无线模块、电源管理模块、复位电路等单元电路组成。该系统所用到的无线收发系统采用 NRF24L01 与集成芯片 NETUSB2401L 构成，利用单片机的内部 ADC12 进行模拟信号与数字信号的转换,应用把转换的结果内部 DMA 暂时存储在FLASH，通过 SPI 串口发送给 NRF24L01，NRF24L01 收到数据后通过无线发送给NETUSB24L01，在通过终端机进行处理分析。它的核心控制器
2、采用体积小，低功耗的单片机 MSP430 实现。该系统主要应用于对于测试环境复杂的压力、温度等信号实时无线传输到终端进行处理分析。关键词：单片机 MSP430 ，NRF24L2401，无线传输 清华大学 2012 届毕业设计说明书The wireless communication system design based on MSP430AbstractThis article describes a wireless communication system based on MSP430 MCU and NRF24L01 design. The system consists of th
3、e SCM system, the nRF24L01 a wireless module, power management module, the reset circuit unit circuit. The system used by the wireless transceiver system uses NRF24L01 and integrated chip NETUSB2401L of composition, use of the microcontrollers internal ADC12 analog signal and digital signal conversi
4、on, the results of the conversion application internal DMA to temporarily store in FLASH.SPI send nRF24L01 nRF24L01 data received through the wireless send NETUSB2401L through the terminal machine processing and analysis. Its core controller, small size, to achieve low-power microcontroller MSP430.
5、The system is mainly used in real-time wireless transmission of complex test environment pressure, temperature and other signals to the terminal for processing and analysis.Keywords: SCM the MSP430，NRF24L2401，Wireless transmission清华大学 2012 届毕业设计说明书第 I 页 共页目 录1 引言 .11.1 课题的背景与来源 .11.2 无限传输的优点 .21.3 课
6、题的意义 .31.4 课题的设计内容及优势 .32 系统总体方案设计设计 .52.1 系统概述 .52.2 整体电路图 .53 硬件电路设计 .73.1 电源管理电路 .73.1.1 电路设计 .73.1.2 LP2985 芯片简介 .73.2 复位电路 .83.2.1 MAX708 芯片简介 .83.2.2 复位电路设计 .103.3 时钟电路 .113.4 无线模块电路 .113.4.1 nRF24L01 芯片简介 .113.4.2 nRF24L01 无线模块电路 .153.4.3 NETUSB2401 无线模块介绍 .153.5 单片机控制模块 .163.5.1 MSP430 的简介 .
7、163.5.2 MSP430 的功能特性 .173.6 MSP430 内部 ADC12 模块 .183.6.1 MSP430 内部 AD12 介绍 .183.6.2 ADC12 接地和噪声的考虑 .223.7 MSP430 内部 DMA 模块 .234 软件设计 .27清华大学 2012 届毕业设计说明书第 II 页 共页5 总结 .32附录 一：整体电路图 .34附录 二：系统程序 .35参考文献 .49致谢 .51清华大学 2012 届毕业设计说明书第 1 页 共 51 页1 引言1.1 课题的背景与来源无线通信是利用电磁波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式，1897
8、 年 M.G.马可尼成功完成了在一个固定点与一艘拖船之间的无线通信试验后，标志通信技术的发展进入了无线领域的新阶段。为了能够区分不同的信号，通常以信号的频率来做标志，因此在无线通信技术中频率是非常重要的资源。世界各国都有相关的无线电管理部门来负责管理本国的无线频率资源，建设使用无线通信的网络都需要经过这些部门的审批，并购买一定范围频率资源的使用权才可以开始运营。惟有如此，才能保证各种使用无线信号的行业之间不会互相冲突，各自在规定的频率范围内工作。另外在通信中常常需要传输的信号本身是低频率的信号，但为了能够依照频率的划分来区分各种信号，需要对信号进行调制，把低频信号通过一定的调制信号附着在特定的
9、频率上再发送到空间中，以避免造成信号间的无序干扰 1。近些年信息通信领域中，发展最快、应用最广的就是无线通信技术。自从 MSP430单片机问世以来，就以其体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛的在智能仪器仪表、工业控制、家用电器、计算机网络、通信领域、以及医用设备等领域都得到了应用。在仪器仪表领域，结合不同的传感器，可实现诸如电压、频率、温度、流量、速度、压力、角度等物理量的测量。采用单片机控制使得一起仪表的数字化、智能化、微型化，且功能比起采用数字或电子电路更加强大。例如精密的测量设备功率计、示波器以及分析仪 2。单片机也可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。
10、如工厂流水线的智能化管理、电梯智能化控制、各种报警系统，还可以与计算机联网构成二级控制系统等。如今家用电器上基本都有采用单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调、彩电、其他音箱视频器材、再到电子天平设备，可谓五花八门，无所不在 3。现在的单片机普遍具备通信接口，可以很方便的与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备上都基本实现了单片机的智能控制，从手机、电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随时可见的移动电话、集群移动通信、无线对讲机等 4。清华大学 2012 届毕业设计说明书第 2 页 共 51 页单片机在
11、医疗设备中的用途亦然很广泛，例如医用呼吸机，各种智能分析仪，监护仪，超声诊断设备以及病床无线呼叫系统等。对于单片机的应用可谓是一种趋势，并且这种趋势将更加热烈，将渗透到各个领域，各个方面。通过对于通信技术的学习，以及简单的编程语言学习，作为一名具备一定基础知识的大学生，应该在此基础上学会对于单片机的基本应用，达到所学所用的目的。本课题是基于 MSP430 的无线通信系统设计，课题响应了时代的要求，有重要的现实意义。由于在数据采集环境中，干扰严重，环境复杂，有线通信由于布线不合理与电磁干扰等因素的影响，对于数据的正确传输受到了很大的限制，导致误码率低，信号失真严重。为了满足这个方面的不足，如何应
12、用解决本实际要求，开发一款无线传输系统，可对于这些信号进行实时的、低误码率的传输满足要求十分必要。基于本方面的应用要求，应用 MSP430 单片机进行控制与 NRF24L01 无线传输可以实现此目的 1,4。1.2 无限传输的优点1成本廉价有线通信方式的建立必须架设电缆，或挖掘电缆沟，因此需要大量的人力和物力；而用无线数传电台建立专用无线数据传输方式则无需架设电缆或挖掘电缆沟，只需要在每个终端连接无线数传电台和架设适当高度的天线就可以了。相比之下用无线数传模块建立专用无线数据传输方式，节省了人力物力，投资是相当节省的。当然在一些近距离的数据通讯系统中，无线的通讯方式并不比有线的方式成本低，但是
13、有时候实际的现场环境难以布线，客户根据现场环境的需要还是会选用无线的方式来实现通讯。2建设工程周期短当要把相距数公里到数十公里距离的远程站点相互连接通讯的时候，采用有线的方式，必须架设长距离的电缆或者挖掘漫长的电缆沟，这个工程周期可能就需要数个月的时间，而用数传模块建立专用无线数据传输的方式，只需要架设适当高度的天线，工程周期只需要几天或者几周就可以，相比之下，无线的方式可以迅速组建起通信链路，工程周期大大缩短。3适应性好有线通讯的局限性太大，在遇到一些特殊的应用环境，比如遇到山地、湖泊、林清华大学 2012 届毕业设计说明书第 3 页 共 51 页区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难
14、的应用环境的时候，将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，而用无线数传模块建立专用无线数据传输方式将不受这些限制，所以说用无线数传模块建立专用无线数据传输方式将比有线通讯有更好的更广泛的适应性，几乎不受地理环境限制。 4 扩展性好在用户组建好一个通讯网络之后，常常因为系统的需要增加新的设备。如果采用有线的方式，需要重新的布线，施工比较麻烦，而且还有可能破坏原来的通讯线路，但是如果采用无线数传电台建立专用无线数据传输方式，只需将新增设备与无线数传电台相连接就可以实现系统的扩充了，相比之下有更好的扩展性。5 设备维护上更容易实现有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点，而
15、采用无线数传模块建立专用无线数据传输方式只需维护数传模块，出现故障时则能快速找出原因，恢复线路正常运行 3。1.3 课题的意义由于测试环境的恶劣，一些测量物体的运动，有线数据传输的布线困扰，一套系统能满足这些测试要求，适合于对于复杂测试环境的数据采集传输，显得十分必要。虽然动态的压力数据采集可以通过数据采集卡实现，然而数据采集卡开发成本较高，数据的采集也往往受限于某位置，静止被测物体运动，这在一定程度上为测试带来了不便，特别是针对于某些运到参数的测量，如行走、运到等，被测对象因限于测量设备电源线、数据传输的长度无法展开运到。目前，无线通信技术发展日趋成熟，采用无线通信实现数据的传输具有成本低廉
16、、适应性好、扩展性好以及开发周期短等特点，针对于一些运到物体某些参数的测量不便，以及复杂的测试环境现场布线会产生较高的误码率，本文提出了一种以 MSP430为核心，配以 NRF24L01 无线模块传输数据，既能够实现对被测信号的高速采集，又能够准确可靠地将数据传递给计算机进行处理。可以实现对于一些在一定范围内运动的物体进行参数测量，从而省去了布线带来的麻烦，还提高了传输效率。1.4 课题的设计内容及优势系统的主要功能：对采集的信号通过适配电路转换后，在符合 MSP430 单片机的清华大学 2012 届毕业设计说明书第 4 页 共 51 页接口允许范围内时输出单片机，用内置的 ADC12 进行模
17、拟信号与数字信号的转换，单片机通过 SPI 传输协议将处理后的信号发送给 NRF24L01，在 NRF24L01 再将此信号通过无线发送到 NETUSB-24L01，NETUSB-24L01 无线模块自带有控制接收的外围电路和 USB 接口，可与计算机直接相连，对信号进行实时分析处理，从而了解被测参数。本课题的优势：采用无线通信，免去了有线传输中的高额布线成本和复杂的抗干扰方案设计，并且可以测量运动物体的参量，其应用灵活。在需要的情况下可以加入CD4501 作为多路开关，实现在于数据的多路采集，拓展性强。由于采用的 MSP430 单片机，其以低功耗，体积小，功能模块强而突出，使得本通信系统低功
18、耗，减小了对于电源的成本，更多的模块功能使得对于系统的升级应用提供了很大的方便。MSP430单片机是高度集成芯片，采用集成芯片设计后，对于电路的维护，检修带来了很大的方便。清华大学 2012 届毕业设计说明书第 5 页 共 51 页2 系统总体方案设计2.1 系统概述本系统模块主要由上位机硬件电路和下位机硬件电路组成。其主要功能是完成对采集数据的传输。上位机硬件电路由计算机应用软件、NETUSB-24L01 无线模块组成。NETUSB-24L01 无线模块自带有控制接收的外围电路和 USB 接口，可与计算机直接相连。其使用简单、易与掌握。下位机硬件电路选择 MSP430FG4618 作为核心的
19、控制芯片，主要功能是完成模拟信号的采集、接收上位机发送的无线通讯命令，并能够将A/D 转换后的数字量用 DMA 传送给 FLASH 进行存储，通过 SPI 模式传递给nRF24L01，数据暂存至 TX_FIFO 中。SPI 串口速率在通信协议和器件配置时已确定610 。系统框图如下：MSP430FG4618nRF24L01NETUSB2401L信号 适配电路 A/D DMA AA计算机串口USB 接口 天线天线图 2.1 系统框图2.2 整体电路图整体电路图主要包括 NRF24L01 无线模块和 MSP430 控制模块。MSP430 摸块电路图设计相对而言比较复杂，其中电源管理电路、时钟电路和
20、复位电路，也要考虑到高频收发电路布线的注意事项，这是主控电路的重点与难点。其中复位电路模块采用MAX708 芯片，电源模块采用 LP2985 将 5V 的电眼转换为 MSP430 需要的电压 3.3V，清华大学 2012 届毕业设计说明书第 6 页 共 51 页输出电压也比较稳定，纹波少。时钟选择芯片 SG350SCF，作为 MSP430 的主系统是时钟，频率为 8M。主控芯片则选择内部资源丰富，低功耗、体积小的 MSP430 单片机。无线模块选用 NRF24L01 无线收发芯片，其配置比较简单。整体电路如下：VD 2CSN 4MOSI 6IRQ 8GND1 CE3SCK5 MISO7U2NR
21、F2401块块DVCC11 P6.3/A3/OA1O2 P6.4/A4/OA1I03P6.5/A5/OA2O4 P6.6/A6/DAC0/OA105 P6.7/A7/DAC1/SVSIN6VREF+7 XIN8 XOUT9VeREF+/DACO10 VREF-/VeREF-11 P5.1/S0/A12/DAC112P5.0/S1/A13/OA1I113 P10.7/S2/A14/OA2I114 P10.6/S3/A1515P10.5/S416 P10.4/S517 P10.3/S618P10.2/S719 P10.1/S820 P10.0/S921P9.7/S1022 P9.6/S1123 P
22、9.5/S1224P9.4/S1325P9.3/S1426P9.2/S1529P9.1/S1628P9.0/S1729P8.7/S1830P8.6/S1931P8.5/S2032P8.4/S213P8.3/S234P8.2/S2335P8.1/S2436P8.0/S2537P7.7/S2638P7.6/S2739P7.5/S2840P7.4/S2941P7.3/S30/UCA0CLK42P7.2/S31/UCA0SOMI43P7.1/S32/UCA0SIMO4P7.0/UCA0STE/S345P4.7/UCA0RXD/S3446P4.6/UCA0TXD/S3547P4.5/UCLK1/S364
23、8P4.4/SOMI1/S3749P4.3/SIMO1/S3850P4.2/STE1/S39 51COM0 52P5.2/COM153P5.3/COM2 54P5.4/COM3 55P5.5/R03 56P5.6/LCDREF/R13 57P5.7/R2358LCDCAP/R33 59DVCC2 60DVSS2 61P4.1/URXD1 62P4.0/UTXD163P3.7/TB6 64P3.6/TB5 65P3.5/TB4 66P3.4/TB3 67P3.3/UCB0CLK68P3.2/UCB0SOMI/UCB0SCL 69P3.1/UCB0SIMO/UCB0SDA 70P3.0/UCB0S
24、TE 71P2.7/ADC12CLK/DMAE0 72P2.6/CAOUT73P2.5/UCA0RXD 74P2.4/UCA0TXD 75P2.3/TB276P2.2/TB17P2.1/TB078P2.0/TA279P1.7/CA180P1.5/TACLK/ACLK82P1.6/CA081P1.4/TBCLK/SMCLK83P1.3/TBOUTH/SVSOUT84P1.2/TA185P1.1/TA0/MCLK86P1.0/TA087XT2OUT8TDO/TDI90XT2IN89TDI/TCLK91TMS92TCLK93RST/NMI94P6.0/A0/OA0I095P6.2/A2/OA0I19
25、7AVSS98DVSS19AVCC10P6.1/A1/OA0O96 U4MSP430FG4618RESET 8RESET/ 7NC 6PFO/ 5MR/1 VCC2GND3 PFI4U1MAX708Vin1 GND2ON/OFF3OUT 5BYPASS 4U5LP2985ST1 GND2 OUT 3VCC 4U6SG350SCF-8M12345678J1CON8Q1PNP1S1SW-PBD1LEDR21KR11KR322KR41KC2100nFDVCCC3100nFDVSSC410nF+C110uF +C910uF+C1110uFVREF-/VeREF-+C510uF+C1310uFVeREF
26、+C1510uFC6100nFVREF+GNDC8100nFCEC10100nFSCKC14100nFYTDOAVSSSOMIC12100nFYTMSDVSSVDYTDIAVCCCSNYTCLKDVCCSIMOYRSTYIRQGNDVDGNDGNDVDVDGNDP6.0YRSTVDYTCLKAVSSY8MGNDYTMSVREF-/VeREF-GNDGNDYTDIAVSSVCCYTDOVREF+Y8MAVSSYRSTVeREF+AVSSAVCCDVSSDVCCVCCVCCVCCGNDCEGNDYIRQVDSCKGNDSOMIBYPASSVCCSIMOGNDGNDCSNBYPASS1J2CON1VD+C710uFVD图 2.2 整体电路图
