基于nRF24L01的无线水声信号传输

于 乐 苏新彦 姚金杰

(中北大学 太原 030051)

有线传输的传输距离受局限导致无线传输越来越受人们的青睐，随之而来的是应用领域越来越广，诸如:遥控遥测、生物信号采集、机器人控制、环境监测等。凡是布线繁杂或不允许布线的场合都希望通过无线方案来解决［1］。本文介绍的是将无线传输运用到水环境中，将采集到的水声信号无线传输给上位机。由于本设计仅仅将传感器放入水中，节点置于水面上，所以不需要考虑射频信号被衰减的情况。本系统采用Nordic 公司的射频芯片nRF24L01，超低功耗单片机MSP430F1611 作为主控芯片控制射频芯片以实现无线水声信号的传输。

1 芯片简介

1.1 nRF24L01 芯片简介

nRF24L01 是一款工作在2.4 ～2.5 GHz 世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片。nRF24L01 无线收发芯片普遍用于无线门禁、工业传感器、无线数据传输系统中［2］。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。工作速率0 ～2 Mb/s，外围元件极少。

该芯片的封装规格为6mm ×6mm ×0.8mm，36脚QFN6 ×6 封装，RF 发射电流10.5mA，接收电流19mA［3］。它的主要特点如下:

(1)低工作电压:1.9 ～3.6 V 低电压工作;

(2)高速率:2 Mbps，由于空中传输时间很短，极大地降低了无线传输中的碰撞现象;

(3)多频点:125 个频点，满足多点通信和跳频通信需要;

(4)超小型:体积小巧，5 mm×5 mm;

(5)低功耗:当工作在应答模式通信时，快速地控制传输及启动时间，极大地降低了电流消耗;

(6)低应用成本:nRF24L01 的SPI接口可以利用单片机的硬件SPI口连接或用单片机I/O 口进行模拟，内部有FIFO 可以与各种高低速微处理器接口，便于使用低成本单片机［4］。

nRF24L01 有20 个引脚，其引脚及其功能如表1所示［5］。

表1 nRF24L01 引脚功能

1.2 MSP430F1611 芯片简介

MSP430F1611 主要特点有:

(3)5 种省电模式;

(4)从等待方式唤醒时间:6μs;

(5)16 位RISC 结构，125ns 指令周期;

(6)12 位A/D 带采样保持内部参考源;

(2)

(7)双12 位D/A 同步转换;

(8)16 位定时器Timer_A 和Timer_B［6］。

2 硬件设计

无线传输主要是由单片机MSP430F1611 控制射频芯片nRF24L01 实现的。此单片机将很多外围模块都整合到片内，适合用于开发和设计单片系统。如图1所示为单片机MSP430F1611 与射频芯片nRF24L01 的电路原理图。

图1 电路原理图

如图1 所述，nRF24L01 与MSP430F1611 主要通过6 个引脚相连:CSN(SPI的使能端);CE(数据发射、接收的使能端);MOSI(SPI数据主出从入端);SCK(SPI时钟输入);MISO(SPI数据主入从出端);IRQ(中断输出)。TDO/TDI连接一个S 来控制发送或接收模式。MSP430 的控制指令从nRF24L01 的MOSI引脚输入，nRF24L01 的状态和数据信息从MISO 引脚输出送到MSP430。每个指令使用前CSN 需为低，使用后变为高。

3 软件设计

本设计先将单片机设定到低功耗3，将nRF24L01 设定为先睡眠后唤醒的工作方式。首先先初始化MSP430F1611 的时钟、定时器和SPI口，中断唤醒nRF24L01 后，初始化nRF24L01，然后判断TDO/TDI引脚是否为高电平，从而决定是否发射数据，若为发射模式，单片机就把数据发送给nRF24L01，当IRQ 为低电平时就读取数据。如图2所示为系统软件设计流程图。

4 实验结果

本设计接入相应的传感器、采集模块和上位机等之后，在水中使用设备发声，通过本设计的无线传输，将水声信号传输到上位机上，使上位机采集到数据，通过Matlab 软件对存储的数据进行仿真，如图3所示为Matlab 对其中一组数据仿真出的原始水声信号波形图。

图2 软件设计流程图

然后对原始的水声信号进行一些处理，如图4所示为截取了一部分的水声信号，如图5所示为整流滤波后的图形，如图6所示为包络检波的图形。

图3 原始水声信号

图4 截取的部分水声信号

图5 整流滤波后图形

图6 包络检波图形

5 结语

本设计通单片机MSP430F1611 对射频芯片nRF24L01 的控制，实现了无线水声信号的传输。通过Matlab 软件对采集到的数据进行仿真，证实了此设计的无线传输效果。

［1］陈丽娟，常丹华.基于nRF2401 的无线数据通信［J］.电子器件，2006，(29)1:248-250.

［2］李泽坤.基于nRF2401 的无线网络节点设计与实现［D］.南昌航空大学，2013.

［3］韦积慧.基于nRF2401 的无线网络设计与实现［D］.吉林大学，2012.

［4］刘志平，赵国良.基于nRF24L01 的近距离无线数据传输［J］.应用科技，2008，35(3):55-58.

［5］讯通科技，2.4GHz 单片高速2Mbps 无线收发芯片［M］.北京:北京航空航天大学，2007.

［6］沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430 系列16位超低功耗单片机原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004:24-25.