原标题：智能楼宇测控系统的nRF24LEl无线数据采集

楼宇设备测控系统是智能建筑的重要组成部分,该系统将对整栋楼宇的空调制冷系统、给排水系统、变配电系统、照明系统、电梯、消防、安全防范系统等进行信号采集和控制,实现楼宇设备管理自动化,起到集中管理、分散控制、节约能耗的作用。

对于已经投入运行的建筑安装有线楼宇测控设备则比较困难与麻烦,但采用无线组网技术可以方便地完成楼宇测控设备安装布置,其组网灵活,安装施工费用低廉,并能根据需要重新布置楼宇设备测控系统,具有可移动性。

1 系统结构

楼宇设备测控系统包括nRF24LEl无线数据采集与控制模块、nRF24LUl+无线USB接口模块和PC机构成的楼宇设备测控中心,系统方框图如图l所示。

无线数据采集与控制模块实时监测和控制各楼宇设备子系统,负责各个子系统现场实时状态数据的采集、缓存和转发,并实时将各子系统监控的状态变化以无线方式,通过无线USB接口模块传送给监控中心。同时,监控中心也通过无线USB接口模块以无线方式将控制命令传送给无线数据采集模块,实现各楼宇设备子系统的控制。

2 无线数据采集模块电路

无线数据采集模块是以nRF24LEl低成本、高性能的嵌入式微处理器智能射频收发器为核心。

nRF24LEl是一款适合超低功耗无线应用的SoC,片上集成了Intel805l 8位微处理器、nash存储器、低功耗振荡器、实时计数器、AES硬件加密器、随机数据发生器、节能控制等部件,并提供了一个理想的无线协议平台,以保证协议的无缝连接、安全性、低功耗以及抗干扰性能。对于应用层,nRF24LEl提供主从SPI接口,UART,6～12位A/D转换器,PWM,模拟比较器,定时器以及外部中断等外设功能,以满足测量与控制需要。

nRF24LEl构成的无线数据采集模块主电路如图2所示。

3 无线USB模块电路

无线USB模块电路由nRF24LUl+实现。nRF24LUl+内置有2.4 GHz射频收/发内核,支持12 Mh/s全速USB接口,具有2 Mb/s的空中无线速率。具有内部稳压器,直接使用USB总线供电,而不需要外部稳压器,节约成本和PCB板空间。集成的PLL锁相环合成器可为射频及USB提供时钟,无需外部滤波、谐振器和压控二极管,只需要低成本的±6×10-9精度的16 MHz晶体。nRF24LUl+构成的无线USB模块电路如图3所示。

4 外围电路

4.1 天线输出

nRF24LEl和nRF24LUl+的ANTl和ANT2输出引脚给天线提供平衡的射频输出,该输出引脚必须有到VDD_PA的直流通路,通过高频的扼流圈或平衡偶极子天线的中心点。以nRF24LUl+为例.获得最大输出功率推荐0 dBm,推荐使用(15+j88)Ω的负载,通过一个简单的匹配网络在ANTl和ANT2及负载之间,也可以获得一个较低的负载阻抗(如50 Ω)。

4.2 晶体振荡器

用于nRF24LEl和nRF24LUl+的晶体振荡器必须满足产品技术规格的要求。必须使用一个低负载电容的晶体来获得低功耗和快速的启动时间。低负载电容C0对降低功耗和加快启动时间有利,但可能会增加成本。典型取值C0=1.5 pF,最大取值C0max=7.0 pF。晶体负载电容CL需要考虑电路板上的分布电容,以及从XCl和XC2引脚上的电容(典型值为1pF)。

4.3 PCB设计

良好的PCB布局是保证获得好的射频性能的基础,一个完全经过验证的nRF24LEl和nRF24LUl+及其周围元件包括匹配网络的布局可以在WWW.nordicsemi.no下载获得。PCB设计至少需要双层板,需要专门的接地层以获得最佳性能。nRF24LEl和nRF24LUl+的直流供电必须尽可能靠近VDD引脚放置,并用高频电容进行耦合,电容值和PCB布局参见相关器件数据手册。

nRF24LEl和nRF24LUl+的供电电源必须经过良好的滤波,并且电源走线与任何数字电路供电分开。应该避免PCB上有长电源走线,所有的器件地,VDD连接和VDD旁路电容应尽可能靠近nRF24LEl和nRF24LUl+放置,VSS引脚应直接连接至大面积的敷铜地,或者通过过孔连接到接地层,即过孔尽可能靠近所连接的VSS焊盘,每个VSS引脚应确保至少有1个过孔连接。

满幅数据或控制信号不能与晶体或供电电源走线距离太近。器件底部的金属片连接到其基底地,推荐PCB设计时将其悬空。

5 系统程序设计

系统软件开发可以在Nordic公司提供的nRFgo嵌入式仿真开发平台上进行。nRFgo嵌入式仿真开发平台可以提供功能演示、*估开发、实时仿真、芯片烧录等多项功能,并可以与Keil开发环境无缝链接。

5.1 增强型Sllock Burst模式的PTX

系统工作在增强型Shock Burst模式的PTX程序流程如图4所示。通过设置RFCON寄存器中的rfce位为高,激活PTX模式。如果当前在TX FI-FO有数据,射频收/发进入发射模式并发送数据包。如果自动重发使能,状态机将检查是否NO_ACK标志已经置位,如果没有置位,射频收/发部分将进入接收模式接收ACK包。如果收到的是空ACK包,将只有TX_DS TRQ中断被设置。如果ACK包包含载荷,TX_DS IRQ和RX_DR_IRQ2个中断均在射频收/发返回待机模式I前被同时设置。

如果在接收超时前没有收到ACK包,射频收/发将进入待机模式Ⅱ,并将一直停留在待机模式Ⅱ直到ARD到来。如果还未达到ARC所定义的重发次数,射频收/发部分将进入发射模式再次重发上一个包。当执行自动重发功能时,最大重发次数由ARC定义。当达到最大重发次数时,射频收/发部分设置MAX_RT IRQ中断并返回待机模式I。如果RFCON寄存器中为高而TX FIF0为空,射频收/发部分进入待机模式Ⅱ。

5.2 增强型Shock Burst模式的PRX

系统工作在增强型Shock Burst模式的PRX程序流程如图5所示。

通过设置RFCON寄存器中的rfee位为高激活PRX模式。射频收/发部分进入接收模式并搜索有效数据包。如果收到数据包并且自动应答已经使能,射频收/发部分将确定是否为新的数据包:如果是新的数据包,数据载荷将移入RXFIFO并且RX_DR IRQ中断将被置位;如果收到的带载荷的应答包TX_DS IRQ中断将指示PTX收到一个带载荷的应答包;如果NO_ACK标志在接收到的应答包中没有被置位,PRX进入发射模式:如果TX FIFO中有一个挂起的载荷,将被附在应答包中发送出去。ACK应答包发送完成后,射频收/发返回接收模式;如果应答包丢失,将会再次收到上一个包,PRX将丢弃此包并在返回接收模式前发送一个应答包。

6 结束语

所设计的无线楼宇设备测控系统采用nRF24LEl无线数据采集模块和nRF24LUl+无线USB模块,具有低功耗、处理速度快、使用安装灵活、传输速度快、可靠性高、安装费用低廉等优点,试验证明该测控系统能够满足智能化楼宇测量与控制需要。

【NRF24LE1】

nRF24LE1采用了Nordic最新的无线和超低功耗技术,在一个极小封装中集成了包括2.4GHz无线传输,增强型51 Flash高速单片机,丰富外设及接口等的单片Flash芯片,是一个综合了性能及成本的完美结合,很适合应用于各种2.4GHz的产品设计。

NORDIC最新推出nRF24LE1= 2.4GHz + Flash 51+ADC + I2C + PWM+UART+SPI..

关键特性

内嵌2.4Ghz低功耗无线收发内核nRF24L01P,250 kbps, 1 Mbps,2 Mbps空中速率

高性能51内核(12倍工业标准51速度),16 kbytes Flash, 1 kbyte data RAM, 1 kbyte NV data RAM

具有丰富的外设资源,内置128 bit AES硬件加密,32位硬件乘除协处理器,,6-12位ADC,两路PWM,I2C,UART,硬件随机数产生器件,WDT,RTC,模拟比较器…

提供QFN24,QFN32,QFN48多种封装,提供灵活应用选择

灵活高效的开发手段,支持Keil C,ISP下载,是开发无线外设,RFID,无线数传等有力工具及平台

应用领域

电脑外设:无线鼠标、无线键盘、无线摇杆

高级远程控制:无线语音、视频、家庭应用、娱乐中心

安全系统:支付、报警、访问控制

RFID应用、传感网络

医学参数检测、工业控制及无线数据采集

遥控玩具

具体介绍

射频收发器

nRF24LE1 使用与 nRF24L01+同样的内嵌协议引擎的 2.4 GHz GFSK 收发器。射频收发器 工作于 2.400—2.4835 GHz 的 ISM 频段,尤其适用于超低功耗无线应用。射频收发器模块通过映射寄存器进行配置和操作。MCU 通过一个专用 的片上 SPI 接口可以访问这些寄存器,无论射频收发器处在何种电源模式。内嵌的协议引擎(Enhanced ShockBurst)允许数据包通信并支持从手动操作到高级自发协议操作的各种模式。射频收发器模块的数据 FIFOs 保证了射频模块与 MCU 的平稳数据流。

MCU

nRF24LE1 内含一个执行传统 8051 指令集的快速 8 位 MCU.大多数单字节指令可以一个周期内完成。一个机器周期在一个时钟周期完成,是传统 8051 单片机的 8 倍。

内存与IO组织

MCU 包含 64KB 分离的代码与数据空间,一个 256 字节的内部数据 RAM 区域和一个 128字节的用于特殊功能寄存器的区域。Nrf24le1 存储器默认配置为 16KB 程序存储器(FLASH),1KB 数据存储器(SRAM)和 2 块非易失性数据存储器(FLASH)。IRAM 低 128 字节空间包含工作寄存器(0x00--0x1F)和可位寻址的寄存器(0x20--0x2F).128字节以上空间只能间接寻址。IRAM 四个 BANK 每个 BANK 低 32 字节包含 8 个寄存器(R0 - R7).程序存储器状态字(PSW)的两位决定了使用哪个 BANK。每个 BANK 紧接着的 16 字节可位寻址寄存器可通过地址0X00 - 0X7F 寻址。

FLASH 存储器

MCU 可以对 FLASH 进行读写操作,特殊环境下(如固件升级)还可以进行擦除改写操作。FLASH 存储器对过外部从 SPI 接口进行配置和编程。编程后可进行代码保护防止从外部接口读写 FLASH。

RAM

NRF24LE1 包含两个分离的 RAM 块,这些块用于保存临时数据或程序。内部 RAM(IRAM)速度快且灵活,但仅有 256 字节。另外一块 SRAM 默认在 XDATA 从 0X0000 到 0X03FF 的地址空间中,大小为 1KB(1024*8位)。这块 SRAM 的地址可以重新映射。SRAM 块由两个 512 字节的物理块组成,低 512 字节的块称为 DataRetentive,此块数据在掉电模式下数据仍然保持,高 512 字节的块称为 DataNoneRetentive,此块数据在掉电时数据丢失。

定时/计数器

NRF24LE1 包含多个定时器用于计时和重要系统事件。其中的一个定时器(RTC2)在掉电模式下可用,可用来唤醒 CPU。

中断

nRF24LE1 有一个包含 18 个中断源的高级中断控制器。

电源和时钟管理

电源管理

电源管理在上电时初使化系统,为可能的电源失效提供预先警报,并在供电电压太低不能够保证安全操作时重启系统。

片内振荡器

nRF24LE1 包含两个高速和两个低速振荡器。主要的高频时钟源是 16MHz 晶体振荡器。同时也有一个可快速启动的 16MHz RC 振荡器,主要用于等待晶体振荡器启动时为系统提供高速时钟。低速时钟可以是 32.768 的晶体振荡器或 32.768KHz 的 RC 振荡器。也可以使用外部的 16MHz 和 32.768 KHz 时钟。

乘除单元 - MDU

乘除单元是一个片上算术协处理器,可提高 32 位除法,16 位乘法,移位等操作的速度。它通过 MD0...MD5 和 ARCON 寄存器进行控制

加密解密加速器

加密解密加速器能使加密解密速度加快并省电。加速器是一个 8 by 8 的有限域的倍加器,共有 8 位输出。使用的多项式是 m(x)=x8+x4+x3+x+1, 这也是 AES 加密标准使用的多项式。

随机数发生器

nRF24LE1 内嵌一个使用热噪声产生非确认性比特流的随机数发生器。采用了数字校正算法使得输出的比特流均衡分布。比特位进入一个 8 位的寄存器并被并行读出。

通用 IO 和引脚分配

nRF24LE1 的 IO 引脚默认是作为通用 IO 用的,IO 的数量 QFN 24 是 7,QFN32 是 15,QFN48是 31. IO 引脚与其他如 SPI 的外设是复用的。

SPI

nRF24LE1 有一个双缓冲串行外围设备接口(SPI),支持四种 SPI 模式,默认为模式 0.主 SPI 不会自动产片选信号(CSN),通常由使用一个数字 IO 口作为片选信号。

串口(UART)

nRF24LE1 包含一个与标准 8051 操作完全相同的串口。RXD 脚必须设置为输入,TXD 必须设置为输出。

2-Wire

nRF24LE1 有一个单缓冲的 2 线接口,可配置从主或从设备,并配置不同的速度。2-Wire 不兼容 CBUS. 2 线接口对应引脚 W2SDAW2SCL

ADC 模数转换

nRF24LE1 包含一个多达 14 通道(与封装有关)的通用 ADC,ADC 内置 1.2V 参考电压,也可以以外部参考电压或 VDD 作为参考电压。它可以在软件的控制下单步工作,也可以设置一个采样速率让其连续进行采样转换。

模拟比较器

模拟比较器用于唤醒源。当作用于单端或差分模拟输入引脚上的电平达一定值时就会唤醒系统。比较器消耗的电流非常低且可工作于寄存器保持模式和存储器保持模式。

PWM

nRF24LE1 包含一个两通道的脉宽调制模块。两个通道(PWM0 和 PWM1)使用同样的可编程的频率和分辨率寄存器但可分别控制工作周期。

硬件调试支持

nRF24LE1 支持 JTAG 调试器:nRFProbe , System Navigator当在信息页中允许硬件调试特性时,OCITO,OCTMS,OCITDO,OCITDI,OCITCK 将作为调试用引脚。