基于nRF24L01无线双向通信系统设计

丁媛媛

(烟台职业学院，山东 烟台 264670)

1 无线传输模块基本工作原理［1］

利用无线传输模块进行无线通信传输，通过单片机控制无线传输模块A进行发送无线信号，然后用单片机控制无线传输模块B接收无线传输模块A所发出的无线信号，从而实现一对一的无线信号传输，如图1所示。反方向传输也是如此，无线传输模块B发出信号，无线传输模块A接收传输信号。

2 硬件电路设计

系统硬件部分主要由单片机ATS89S51控制电路、nRF24L01收发模块、稳压电路、显示电路、电平转换电路组成，以下重点介绍无线收发芯片等重点控制部分的电路原理。

2.1 无线模块与主控模块

无线传输模块采用nRF24L01芯片［2］，该芯片是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5 GHz－ISM频段，芯片内置晶体振荡器、功率放大器、频率合成器以及调制器等功能模块，输出功率与通信频道能够通过程序进行配备。芯片能耗非常低，如果按照－5 dBm的功率发射，工作电流只有10.5 mA，接收时工作电流18 mA，具有多种低功率的工作模式，节能设计更加方便。其DuoCeiv－erTM 技术［3］能够使nRF24L01使用同一天线来同时接收两个不同频道的数据。nRF24L01适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等，应用范围非常广。

nRF24L01工作原理图如图2所示。

图2 nRF24L01工作原理图

主控制电路主要由AT89S51单片机芯片［4］、复位电路及外设晶振电路组成。具体电路图如图3所示，该单片机的 P1.4，P1.5，P1.6，P1.7 口接无线收发模块的1、2、3、4引脚，通过 SPI方式进行通信，P1.5，P1.6引脚分别收发图2中的数据。图3中J3作为串口及外部扩展使用，J4与无线收发模块连通，J5，J6为外部扩展接口，接LED显示灯与按键。

图3 主控制芯片工作原理图

2.2 AMS1117电压源原理图

接口电路输出电流经过二极管整流、滤波后，三端稳压器件7805实现降压，由12 V降至5 V给单片机供电，5 V电压经过再次滤波，从AMS1117的输入端输入，经过AMS1117正向低压稳压器再次降压，获得稳定的3 V电压，作为无线发送与接收模块的供电电源，具体电路如图4所示。

2.3 模块PCB板

PCB板的设计主要是板图设计，采用电路板的主要优点是大大减少布线和装配的差错，提高了自动化水平和生产劳动率。

画该电路的PCB板应注意以下几点［5］:

1)在整个PCB板的布线中，电源、地线尽管布置得非常好，但是仍有可能会干扰无线发送信号，降低发送信号的性能，甚至影响发送信号的成功率。因此对电源线、地线的布线一定要认真设计，把电源线、地线所产生的干扰降到最低，以保证无线发送信号的质量。

图4 AMS1117电压源原理图

2)模数电路的共地处理:现在大部分PCB电路板设计完以后已经不再是单纯的数字电路或者模拟电路，往往是由二者混合设计而成。故在布线时对于信号干扰问题就需要特别考虑，尤其要针对噪音干扰进行处理。一般电路板以双面板居多，地线布置非常讲究，通常采用单点接地方法，电源和地由电源两端接到PCB板上，电源共1个接点，地共1个接点。PCB板上需具备多个返回地线，最后全部聚回电源的接点上，称之为单点接地。而且模拟地、数字地、大功率器件地都要开分，这被称为布线分开，最后也都聚回到这个地。与PCB板以外的信号连接时，一般利用屏蔽电缆进行隔离。

3)对连接引脚的处理需要进行综合考虑，尤其是在大面积的PCB板制作中，连接引脚的处理在大面积的接地中应用较广泛，常用元器件的引脚与之连接。从电气性能方面来讲，元件引脚的焊盘最好与铜面满接，但在元器件焊接装配时存在不利因素，如焊接时容易形成虚焊。因此，为了综合考虑电气性能和工艺要求，通常将焊盘设计成十字花焊盘，这种焊盘在焊接时因截面过分散热可大大减少虚焊点。多层板的接电(地)层引脚的处理也是一样。

4)设计规则检查(DRC):电路板布线设计完成以后，在protel软件中点击设计规则检查命令，对电路进行检查，查看布线的设计是否符合规则，确认所制订的规则是否与电路板生产工艺相吻合，通常需要检查线与线之间、线与元件焊盘之间、贯通孔与贯通孔之间、元件焊盘与贯通孔之间、连接线与贯通孔之间的距离设计是否达到设计要求，是否与生产工艺的需求相吻合，同时还需检查电源线、地线的宽度是否合适，一般电源线和地线的宽度比信号线要宽。

3 软件设计

3.1 实现过程

图5为nRF24L01发送部分主程序流程图。

图5 nRF24L01发送部分主程序流程图

在nRF24L01无线发送部分主程序中，首先进行初始化操作，通过配置模式对nRF24L01进行设置，主要包括发送的数据宽度、地址宽度、发送数据的地址以及CRC技术和常用配置等。常用配置［6］包括使能第一频道设置、通信方式设置、发送数据速率设置、晶振频率设置、发送输出功率设置、频道设置和收发模式设置等。待初始化完成后，将nRF24L01设置为发送模式，进行发送数据。然后查看状态寄存器TX_DS是否为1，如果TX_DS为1则表示nRF24L01发送成功，并且数码管可以显示发送的数据;如果TX_DS不为1则代表nRF24L01发送不成功，程序返回重新发送。

nRF24L01无线接收部分主程序流程图如图6所示。

图6 nRF24L01无线接收部分主程序流程图

在nRF24L01无线接收部分主程序中，首先进行初始化操作，将nRF24L01设置为接收模式，并通过配置模式对nRF24L01进行设置，主要包括接收的数据宽度、地址宽度、接收数据的地址以及CRC技术和常用配置等。常用配置包括与无线发送部分的配置基本相同。待初始化完成后，延时等待数据包的到来。查看状态寄存器RX_DR是否为1，如果RX_DR为1，则表示接收到数据，然后查看接收到的第一个数据是否正确，如果正确，则让数码管显示接收的数据;如果RX_DR不为1，则表示没有接受到数据，然后返回继续等待接收数据。

3.2 nRF24L01的一对一程序设计

无线传输模块nRF24L01的一对一发射程序如下:

无线传输模块nRF24L01的一对一接收程序如下:

4 结语

该设计在充分掌握无线传输模块nRF24L01和AT89S51的工作原理的基础上，通过加入其他外围电路，如恒压电源电路，晶振电路，复位电路，电平转换电路，显示电路等，共同工作实现了一对一的无线双向通信。

该系统具有设计简单，成本低，稳定性好等优点，可应用到各类无线传输的工程领域中，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁等，具有一定实用价值。

［1］何讲明.基于nRF24L01的无线通信系统设计［J］.科技创新与生产力，2011，7(10):23 －25.

［2］张天祥.基于MCU和nRF24L01的无线通信系统设计［J］.电子科技，2012，4(1):34 －35.

［3］白春雨.基于nRF24L01的2.4 GHz无线通信系统设计［J］.无线电通信技术，2011，3(4):45 －46.

［4］蒋俊峰.无线收发芯片比较与选择［J］.今日电子，2003(9):56－57.

［5］刘建平.单片2.4 GHz无线收发一体芯片nRF24L01及其应用［J］.国外电子元器件，2004，6(12):36 －38.