基于MSP430和nRF905的多点无线通讯模块Word格式文档下载.docx
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如图2所示,SPI可以理解成双工方式,因为在发送数据的同时也可以接受数据。
SPI分成主模式和从模式,从模式完全被动,数据的发送和接受都由主机掌握。
实际上参与工作的都有四个寄存器,主机将数据写入发送缓存UTXBUF,数据并行存入发送移位寄存器。
数据一旦写入UTXBUF,立即从MOSI线移位到从机的接受移位缓存,而从机移位缓存中的数据又将其发送移位寄存器中数据,通过MISO移位到主机的接受移位寄存器,再并行读入接受缓存中。
所以利用SPI同时进行读写操作。
图2430SPI示意图
2.2nRF905的驱动
nRF905共有32个引脚,其中有10个引脚尤其需要我们注意:
和主MCU通讯的SPI接口的四个引脚,数据线MOSI、MISO,时钟线SCK、使能线,其中CSN可以接到一个IO口控制芯片工作,而其它三个脚则接到主MCU的SPI接口上;
主MCU的控制线有三个引脚,控制低功耗的PWRUP,控制正常工作的TX_EN,选择发送还是接受方式的TRX_CE,这几个引脚都接到主MCU的通用IO口;
nRF905的反馈线有三根,检测到频道正被使用的CD(carrierdetected),通知接受地址正确的AM(addreSSmatched),告诉MCU数据接受正确的DR(datareceived),这几个引脚需要接到主MCU的中断引脚上,当接收数据正确时以中断方式通知主MCU。
nRF905与MSP430接口如图3所示,其中MOSI、MISO、SCK分别与主机SPI口对应,CSN、TRX_CE、PWR_UP、TX_EN接通用IO口,而CD、AM、DR接中断口,430的P2口都是复用的中断口,这样收到数据可以用中断及时通知430。
图3硬件接口
2.2.1寄存器操作
(1)寄存器介绍
对nRF905操作主要是对其寄存器进行操作,主要有四个寄存器,即配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接受数据寄存器,每次发送数据时将对方地址写入发送地址寄存器中,将不超过32byte的数据写入发送数据寄存器即可而各节点地址在配置寄存器设置,接受的数据则自动放入接受数据寄存器中。
(2)操作寄存器
nRF905控制信号线CSN的下降沿使能寄存器,如果希望对某个寄存器进行操作的时候,首先需要将CSN引脚置低。
905提供了特殊的命令字来支持对寄存器的操作,比如写配置寄存器的命令字为(WC)0000XXXX,读配置寄存器的命令字为(RC)0001XXXX,其中XXXX为起始地址。
当操作某个寄存器时,先写入该寄存器的命令字,即可对其操作。
2.2.2设置频道和频段
nRF905最吸引人的一个特点就是提供跳频支持,以及拥有大量的频道可使用。
nRF905可以在433/868/915频段进行通讯,其实868和915属于同一频段,即主要分两大频段,而每一频段又有29个频道可以使用,但实际上针对不同的天线,只有一个频段可以让芯片发挥最好的功能,所以一种天线有29频道使用。
当在某个频道上遇到干扰时,可以跳频来继续通讯,确保数据完整性。
配置寄存器提供了CH_NO和HFREQ_PLL来设置频道,公式为:
f=(422.4+(CH_NO/10))×
(1+HFREQ_PLL)MHZ
nRF905提供了一个专门的命令字来支持快速跳频,这样在通讯过程中可以迅速实现跳频,从而在不影响通讯速度的情况下,完成通讯。
2.2.3发送数据流程
设置好配置寄存器后,就可以发送数据了.我们先给出具体的时序图,再解释具体流程。
时序图如下:
图4发送时序图
①主MCU将PWR_UP置高,使905进入工作模式,再将TX_EN置高进入发送数据模式。
②将发送地址通过SPI口写入发送地址寄存器TX_ADDRESS,再将数据写入发送数据寄存器TX_PAYLOAD,SPI口的速度由主MCU设置。
③主MCU置高TRX_CE,905自动将数据帧格式补齐,加入包头Preamble,并根据寄存器设置计算CRC校验填人包尾,然后905将整个数据以100bit/s的速度,采用曼彻斯特编码,以GFSK形式发送出去,发送完毕,DR会置高,通知主MCU可以继续下次发送。
④如果配置成自动重发模式,nRF905会自动重发,直到TRX_CE置低。
⑤发送完后可以将TRXCE置低,这样就进入standby模式,实际操作时可以直接将TRX_CE产生脉冲,持续时间不少于10us,就可以发送完数据。
发送数据流程图如图5所示:
图5发送数据流程图
2.2.4接受数据流程
下面我们讨论如何接受数据,同样先给出时序图如图6,再解释流程。
①主MCU将TX_EN置高、TRX_CE置低,过650us后,则进入接受模式。
②nRF905监控频道使用状况,如果发现频道被占用,则将CD置高,可以利用该特性采取一些冲突避免检测机制,发送数据前如果检测到CD信号,则可以随机延迟一段时间再发送数据,该特性可以有效地避免数据冲突。
③当接收到的数据发送地址和自己地址匹配时,则AM置高,通知该数据是发给自己的。
④对数据的CRC进行校验,如果正确,则去除包头和CRC段,将数据保存在接受数据寄存器RX_PAYLOAD,同时DR信号置高,通知主MCU读取数据。
⑤主MCU将TRX_CE置低,进入standby(省电)模式再通过SPI口将数据读出来,当数据都读完后,nRF905将AM和DR重新置低,为下次接受数据做准备。
接受数据流程图如图7所示。
图7接受数据流程图
如果需要将驱动移植到其它平台如ARM上,只要将接口重新定义,SPI读写函数做相应的调整,移植起来非常简单。
3MAC算法实现
既然nRF9O5提供了这么多频道和跳频机制,如何充分利用这些特性,使通讯更加稳定呢?
下面实现的是基于AdHoc网络的MAC协议。
3.1MAC协议框架
如图8所示,频道被分成两类,控制频道和数据频道。
而数据频道又被分成若干组,每组均有一个主数据频道和两个备用数据频道。
正常通讯的时候,采用主数据频道,如果误码率高达一定程度,可以跳至备用数据频道继续通讯。
图8协议架构
通常,各节点在控制频道处于接受状态,采用广播地址。
AdHoc网络中各节点均以自己为中心,故各节点均维护着自己的“控制频道状态表”BroadStatus和“频道列表”Hoplist,两者分别记录了控制频道和数据频道的使用状况。
结构分别如下所示:
struct
{
控制频道使用标志broad;
控制频道使用时间broadtime;
}BroadStatus;
频道列表hoplist;
频道使用时间hoptime[n];
频道占用地址hopaddress[n][2];
}Hoplist
3.2控制频道
控制频道用于各节点交换路由信息、握手信息等。
由于握手信息和路由信息相对大块的数据信息而言很小,所以各节点占用控制频道的时间相对较少,这在很大程度上避免了控制频道上的数据冲突。
但是由于控制频道为所有节点所共用,必须采用冲突避免协议,本文采用了IEE802.11b的CSMA/CA机制,即每次发送数据都要等到频道空闲,再用“二进制指数退避算法随机延时一段时间,当延时时间到再发送数据,这样就有效地避免了同频道下的数据冲突。
同时考虑到隐藏节点、暴露节点等问题,我们采用了RTS/CTS/BROAD机制,如果节点A需要
发送数据到节点B,则先发送RTS并携带自己的数据频道列表信息,节点B收到RTS后,对比自己的频道列表选择一个共用的空闲频道返回RTS,并跳人该频道等待数据的到来。
节点A收到CTS后再携带使用频道信息发送BROAD,然后跳入数据频道开始与节点B进行数据通讯。
而其他节点收到CTS、BROAD后及时登记频道列表信息,方便下次数据传输时直接查询,该信息会随着系统晶振不断更新,这样各节点所维护的频道都是当前频道使用的状况。
3.3数据频道
与共用的控制频道不同,当双方节点都处于数据频道时相当于建立了专用通道,此时不用采取CSMA/CA机制,我们采用确认机制、重发机制和跳频机制来确保数据准确无误的传输。
通讯流程基本采用DATA+ACK形式,即发送完DATA等待ACK,接受到DATA则发送ACK确认。
如果
ACK不正确或没收到ACK则重发,如果该频道不能使用则进行跳频。
跳频需要双方协调进行,具有一定的复杂性,这里具体解释一下跳频机制。
图9为发送端跳频示意图,当发送端受干扰,即发送端可以发送数据,但接受不到数据,当误码率高达上限时,发送端发送CHG并携带将跳至的频道值hop,然后跳人备用数据频道hop中,再发送CHECK,等待握手信息。
而接受端收到CHG后,从中提取出hop信息,再跳至该hop,当接受到CHECK时,再发送验证信息CHECK。
自此,收发双方握手完毕,接着在新的频道中继续通讯。
图10为接受端跳频示意图,当接受端受干扰或者收发双方都收到干扰,这时接受端收不到来自发送方的控制信息CHG,只能完全依靠误码率信息,此时同步尤为重要。
由于双方误码率同时增加,当依次达到上限时,可以依次跳人备用频道继续通讯。
由于存在重发和延时机制,双方并不需要同时跳入备用频道,系统具有一定的容错性。
每个数据频道组有两个备用频道,如果三个频道都不能使用,则此次通讯就失败了。
但是通常一定时间内干扰只在某个频段存在,只要将三个数据频道拉开一段频距,即可有效地抵制干扰。
4总结
文中无线多点收发模块在MSP430和nRF905的基础上,实现了物理层驱动和基于AdHoc网络的MAC层协议,但没有提供网络层路由协议。
物理层点对点通讯确保了数据传输的可靠性。
MAC协议确保同时传输数据时避免冲突。
在测试中,我们网络层采用鱼眼算法,用15个节点动态组网并互传信息,在该体制下信息可以同时发送相互之间没有干扰。
该模块可以很好的运用在一些抄表系统、遥控系统、以及机器人控制中。
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