無線單片機(jī)是一種集成了微控制器、存儲(chǔ)器、A/D轉(zhuǎn)換器、接口電路和無線數(shù)據(jù)通訊收發(fā)芯片的無線片上系統(tǒng)(SoC)。其主要應(yīng)用于無線通信、智能家居、智能城市、智能農(nóng)業(yè)、智能醫(yī)療及智能交通等領(lǐng)域 [2]。該產(chǎn)品采用增強(qiáng)型8051、Cortex-M4等多種處理器架構(gòu)，支持LoRa/(G)FSK/MSK/BPSK調(diào)制及ZigBee協(xié)議棧 [1-2]。代表性型號(hào)包括Nordic nRF905、Chipcon CC1010(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)私有網(wǎng)絡(luò))、德州儀器CC2430(首款集成ZigBee協(xié)議棧)、飛思卡爾MC1321X(Beestack協(xié)議)。硬件配置涵蓋32-256KB閃存、ADC/DAC轉(zhuǎn)換器和硬件加密算法，通過SPI/UART接口實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議處理 [1-2]。采用電源開關(guān)控制、動(dòng)態(tài)時(shí)鐘頻率調(diào)整等低功耗技術(shù)方案，工作頻段覆蓋150MHz-960MHz [2]。為了適應(yīng)無線通信和無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的要求，實(shí)行較小的體積，極低的功耗，更低的價(jià)格，無線片上系統(tǒng)(SOC)近年來得到了快速發(fā)展，這種無線片上系統(tǒng)將微控制器，存儲(chǔ)器，A/D轉(zhuǎn)換器和需要的接口電路和無線數(shù)據(jù)通訊收發(fā)芯片全部集成到一個(gè)非常小的芯片上，一個(gè)單獨(dú)的芯片，就可以構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立工作的無線通信和無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的無線片上系統(tǒng)(也稱無線單片機(jī))的出現(xiàn)，為開發(fā)無線通信和無線網(wǎng)絡(luò)，提供了新的選擇，同時(shí)也使無線通信和無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)工作更加簡化，更容易開發(fā)。

1 nRF24L01無線通訊模塊介紹

系統(tǒng)選用云佳科技的nRF24L01無線射頻收發(fā)模塊來實(shí)現(xiàn)子母機(jī)間的通訊，它使用Nordic公司的nRF24L01芯片開發(fā)而成，是一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片，其具有如下性能特點(diǎn)：

(1)低工作電源電壓，且范圍廣1.9～3.6 V，體積小巧，能方便集成到各種電子器件。

(2)極低的功耗。當(dāng)工作在發(fā)射模式下發(fā)射功率為-6 dBm時(shí)電流消耗為9 mA，接收模式時(shí)為12.3 mA。待機(jī)模式下電流消22μA，掉電模式電流消耗僅為900 nA。

(3)無線速率達(dá)到2 Mbit·s-1，SPI接口速率為0～8 Mbit·s-1，具自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制，極大地降低丟包率。

(4)擁有自動(dòng)重發(fā)功能、地址及CRC校驗(yàn)功能。

(5)具有125個(gè)可選工作頻道，擁有很短的頻道切換時(shí)間，可用于跳頻。

隨著微電子技術(shù)的日新月異，高性能MCU已深度融入嵌入式系統(tǒng)之中，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、分析、處理以及通訊等核心任務(wù)。然而，有線數(shù)據(jù)傳輸方式在時(shí)空和環(huán)境方面的局限性，使得它難以應(yīng)對(duì)所有復(fù)雜場(chǎng)景下的任務(wù)需求。為了克服這一難題，無線數(shù)據(jù)傳輸方式應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸成為主流。

為此，本文提出了一種創(chuàng)新的解決方案，即基于高性能MCU與nRF24L01模塊的網(wǎng)絡(luò)化無線通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)憑借其穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)傳輸能力，能夠靈活適應(yīng)各種條件下的任務(wù)需求。高性能MCU結(jié)合無線通信模塊，可有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜場(chǎng)景，并通過提升數(shù)據(jù)傳輸?shù)撵`活性和可靠性，為未來的應(yīng)用提供了更廣闊的發(fā)展空間。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化無線通信系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。該設(shè)計(jì)不僅需要確保高性能MCU與nRF24L01模塊的穩(wěn)定連接，還需要充分考慮如何在不同條件下實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)傳輸。通過精心選擇和配置硬件組件，我們可以打造出一個(gè)既高效又穩(wěn)定的無線通信系統(tǒng)，從而滿足各種復(fù)雜場(chǎng)景下的任務(wù)需求。

系統(tǒng)選用的是云佳科技的nRF24L01無線射頻收發(fā)模塊，該模塊基于Nordic公司的nRF24L01芯片進(jìn)行開發(fā)。nRF24L01是一款在2.4～2.5 GHz世界通用ISM頻段下工作的單片無線收發(fā)器芯片，具有諸多出色的性能特點(diǎn)：

(1) 電源電壓范圍寬，可從1.9V至3.6V，且功耗極低。其小巧的體積使得集成到各種電子器件變得輕而易舉。

(2) 在發(fā)射模式下，當(dāng)發(fā)射功率為-6 dBm時(shí)，電流消耗僅為9 mA，而接收模式時(shí)為12.3 mA。更為節(jié)能的是，待機(jī)模式下的電流消耗僅為22μA，掉電模式更是低至900 nA。

(3) 無線傳輸速率高達(dá)2 Mbit·s-1，同時(shí)，SPI接口速率范圍為0～8 Mbit·s-1。此外，它還具備自動(dòng)應(yīng)答機(jī)制，這一功能顯著降低了丟包率。

(4) nRF24L01提供了自動(dòng)重發(fā)功能、地址識(shí)別及CRC校驗(yàn)功能，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?

(5) 擁有125個(gè)可選的工作頻道，且頻道切換時(shí)間極短，非常適合用于跳頻通信。

nRF24L01的引腳封裝如圖1所示，詳盡的引腳信息為硬件設(shè)計(jì)和電路連接提供了便捷的參考。

STC12L5608AD，宏晶科技推出的新一代低電壓增強(qiáng)型8051單片機(jī)，具備諸多卓越特性。其工作電壓范圍寬廣，可達(dá)2.1至3.6伏，滿足不同應(yīng)用需求。該單片機(jī)擁有高速性能，單個(gè)時(shí)鐘/機(jī)器周期內(nèi)即可完成操作，相較于普通8051，速度提升了8至12倍，且支持低頻晶振，節(jié)能高效。此外，還內(nèi)置了8路10位AD轉(zhuǎn)換器，方便進(jìn)行模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換。其加密性能強(qiáng)悍，無法解密，保障了數(shù)據(jù)安全。在抗干擾方面，該芯片表現(xiàn)出色，能輕松應(yīng)對(duì)4kV快速脈沖干擾(EFT測(cè)試)，并具有寬溫度范圍(-40至85℃)的超強(qiáng)穩(wěn)定性。更令人印象深刻的是，其功耗極低，正常工作模式下的功耗為2.7至7毫安，空閑模式則為1.8毫安，而掉電模式下的功耗更是低于0.1微安。此外，該芯片還支持在系統(tǒng)編程，為開發(fā)者帶來了極大的便利。

nRF24L01無線通訊模塊通過SPI接口與外部單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。CE引腳作為片選端，與CONFIG寄存器的PWR_UP和PRIM_RX位組合，用于選擇芯片的工作模式。CSN引腳是芯片內(nèi)部SPI硬件接口的使能端，低電平有效。SCK為SPI的時(shí)鐘輸入端，MOSI為SPI接口的數(shù)據(jù)輸入端，MISO為SPI接口的數(shù)據(jù)輸出端。IRQ引腳為中斷請(qǐng)求端，與單片機(jī)的外部中斷1相連。當(dāng)nRF24L01產(chǎn)生中斷時(shí)，IRQ將置低，單片機(jī)通過程序檢測(cè)到此中斷后，即可得知與nRF24L01無線射頻模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)情況。通過這樣的硬件連接方式，單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無線通訊模塊的模式控制和數(shù)據(jù)交換。圖2展示了這兩模塊的硬件接口設(shè)計(jì)，而整個(gè)無線通訊系統(tǒng)則由三個(gè)模塊共同構(gòu)成。在完成了硬件接口電路的連接后，接下來需要進(jìn)行系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。這部分工作主要涉及到單片機(jī)與nRF24L01無線通訊模塊之間的數(shù)據(jù)交換和控制邏輯的實(shí)現(xiàn)。通過編寫相應(yīng)的程序代碼，單片機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)無線通訊模塊的初始化、模式選擇、數(shù)據(jù)發(fā)送和接收等功能的精確控制。同時(shí)，還需要處理可能出現(xiàn)的中斷情況，確保整個(gè)系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效地運(yùn)行。

將nRF24L01無線通訊模塊配置為增強(qiáng)型ShockBurst模式后，其雙向鏈接協(xié)議的執(zhí)行將變得更為簡便和高效。在此模式下，發(fā)送方會(huì)要求終端設(shè)備在接收數(shù)據(jù)后發(fā)送應(yīng)答信號(hào)，從而便于發(fā)送方檢測(cè)數(shù)據(jù)是否丟失。若發(fā)生數(shù)據(jù)丟失，將通過重新發(fā)送功能進(jìn)行恢復(fù)。值得一提的是，nRF24L01能夠同時(shí)控制應(yīng)答及重發(fā)功能，且無需增加MCU的工作量。在增強(qiáng)型ShockBurst發(fā)送模式下，每當(dāng)MCU有數(shù)據(jù)待發(fā)送時(shí)，nRF24L01便會(huì)啟動(dòng)ShockBurst模式進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。發(fā)送完成后，模塊會(huì)自動(dòng)切換至接收模式并等待終端的應(yīng)答。若長時(shí)間未收到應(yīng)答，nRF24L01會(huì)重發(fā)相同的數(shù)據(jù)包，直至收到應(yīng)答或重發(fā)次數(shù)達(dá)到SETUP_RETR_ARC寄存器中設(shè)定的上限。一旦重發(fā)次數(shù)超出設(shè)定值，將觸發(fā)MAX_RT中斷。當(dāng)收到確認(rèn)信號(hào)后，nRF24L01會(huì)認(rèn)為最后一包數(shù)據(jù)已成功發(fā)送，并清除TX FIFO中的數(shù)據(jù)，同時(shí)產(chǎn)生TX_DS中斷，將IRQ引腳置為高電平。

中微MCU確實(shí)支持無線通信功能。

一、無線通信功能概述

中微MCU通過集成無線通信模塊或提供無線通信接口，實(shí)現(xiàn)了與外部設(shè)備的無線連接和數(shù)據(jù)傳輸。這一功能極大地拓展了MCU的應(yīng)用范圍，使其能夠應(yīng)用于更多需要無線通信的場(chǎng)合。

二、支持的無線通信協(xié)議

中微MCU支持的無線通信協(xié)議包括但不限于以下幾種：

藍(lán)牙(Bluetooth)：適用于短距離、低功耗的設(shè)備間通信，常用于個(gè)人設(shè)備如耳機(jī)、智能手表和健身追蹤器等。

Wi-Fi：提供更高速度和更遠(yuǎn)距離的無線網(wǎng)絡(luò)連接，適用于家庭和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備。

Zigbee：一種低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)，特別適合智能家居和工業(yè)自動(dòng)化中的大量低速數(shù)據(jù)傳輸。

NFC(近場(chǎng)通信)：用于短距離的設(shè)備配對(duì)和數(shù)據(jù)交換，常見于移動(dòng)支付和門禁系統(tǒng)。

三、無線通信模塊的應(yīng)用

中微MCU的無線通信模塊廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，包括但不限于：

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)：通過無線連接實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制，提高系統(tǒng)的智能化水平。

智能家居：實(shí)現(xiàn)家居設(shè)備的無線互聯(lián)和智能控制，提升居住舒適度和便利性。

工業(yè)自動(dòng)化：實(shí)現(xiàn)工業(yè)設(shè)備的無線監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集，提高生產(chǎn)效率和安全性。

醫(yī)療健康：通過無線傳輸醫(yī)療數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)和診斷。

四、無線通信功能的優(yōu)勢(shì)

靈活性：無線通信使得MCU能夠突破物理連接的限制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。

低功耗：現(xiàn)代MCU通常采用節(jié)能技術(shù)，如動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)整(DVFS)和智能休眠模式，以延長電池壽命。

可擴(kuò)展性：無線通信功能使得MCU能夠與其他無線設(shè)備輕松連接，構(gòu)建更復(fù)雜的系統(tǒng)。