任璐1,，李文石2,，錢敏1,2
(1. 蘇州大學 文正學院 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104,；2. 蘇州大學 電子信息學院 微電子工程系,，江蘇 蘇州 215006）
摘要：無線記分系統(tǒng)的設計分為發(fā)送端和接收端兩部分。發(fā)送端控制程序通過RS232串口通信發(fā)送比分數(shù)據(jù)到單片機控制的下位機,，并經由nRF24L01無線射頻模塊天線進行數(shù)據(jù)發(fā)送,；接收端通過單片機控制的無線射頻模塊天線接收數(shù)據(jù)并使用8段LED數(shù)碼管顯示記分情況。系統(tǒng)的整體設計包括硬件電路,、軟件程序設計,；發(fā)送端上位機界面程序采用VB6.0設計，發(fā)送端下位機和接收端單片機程序采用C51,。給出了軟件設計流程圖,、硬件實物運行現(xiàn)場圖。測試表明,，系統(tǒng)運行性能良好,。
關鍵詞：無線計分系統(tǒng)；單片機控制,；nRF24L01
中圖分類號：TP274.2,；TN925文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.020
引用格式：任璐，李文石,，錢敏.基于nRF24L01的無線電子記分系統(tǒng)設計［J］.微型機與應用,，2017,36（4）：66-69.
0引言
體育比賽深受人們喜愛，比賽記分是比賽過程中的重要部分,。大型比賽采用昂貴的大型電子記分系統(tǒng),，然而大部分中小型球賽依舊采用傳統(tǒng)人工翻牌的記分模式。針對以上問題,，本文設計了一款輕巧的便攜型式電子無線遙控記分系統(tǒng),，成本相對低廉［1］。該系統(tǒng)采用Nordic公司的nRF24L01無線通信收發(fā)芯片和STC公司的STC89C52RC單片機,。系統(tǒng)的硬件電路簡單,，電路制作費用低［23］。經過多次實驗測試，系統(tǒng)的工作性能穩(wěn)定,，效果良好,，可以廣泛運用于中小型球類比賽。
1系統(tǒng)總體方案
該無線遙控記分系統(tǒng)由發(fā)送端,、接收端兩部分組成,。發(fā)送端由上、下位機兩部分組成,。下位機由觸摸按鍵、LED顯示數(shù)碼管,、nRF24L01射頻發(fā)送模塊和MCU核心處理單元構成,；上位機采用PC，通過普通9針RS232串口與下位機通信,。接收端由nRF24L01射頻接收模塊,、MCU核心處理單元、LED顯示數(shù)碼管組成,。系統(tǒng)結構如圖1所示,。
2系統(tǒng)硬件設計
發(fā)送端下位機硬件系統(tǒng)包括：主控制單元、射頻收發(fā)模塊,、晶振電路,、復位電路、顯示單元,、串口通信單元（包括電平轉換模塊）,、電源模塊等。接收端包括：主控制單元,、射頻收發(fā)模塊,、晶振電路、復位電路,、顯示單元,、電源模塊等，整體電路原理如圖2所示,。下面介紹主要部分電路的設計,。
2.1核心處理單元
核心處理單元采用STC公司生產的低功耗、高性能,、超強抗干擾的微控制器STC89C52RC,。其基于CMOS工藝，攜有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器,，與80C51產品指令和引腳完全兼容,，能為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活度、非常有效的解決方案。
STC89C52RC單片機內部資源豐富,，系統(tǒng)設計過程中充分利用這一特性,，將其作為主控芯片，沒有增加過多外設,。單片機的I/O端口具體資源利用情況如下：P1口及中斷與nRF24L01射頻收發(fā)模塊相連接,，控制信息的發(fā)送/接收；P0口與數(shù)碼管的段選線連接,，控制顯示的字段,；P2端口與數(shù)碼管的位選線相連接，控制顯示數(shù)字的位,；P3.0口（Rxd）與MAX232芯片的T2 OUT引腳相連,；P3.1口（Txd）與MAX232芯片的T2 IN引腳相連接。P3.0和P3.1兩端口作為PC和單片機之間的串行通信口,，負責兩機之間信息傳輸?shù)臉蛄?。軟件部分是單片機對nRF24L01讀/寫控制使之讀出當前的比分值，并實現(xiàn)與PC的通信,。
PC的串口是RS-232電平,，單片機的串口是TTL電平，為了使其能夠進行通信,，使用集成芯片MAX 232進行電平轉換,。
2.2射頻模塊
nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4~2.5 GHz ISM頻段,。低功耗工作電壓為1.9~3.6 V,。工作溫度范圍較大，可在-40℃～+80℃內正常工作,。nRF24L01配外置天線,，無阻擋傳輸距離50~100 m，配PCB內置天線,，無阻擋傳輸距離20~50 m,。該芯片有125個通信通道，滿足多點通信和調頻需要,。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器,、增強型Shock BurstTM模式控制器、功率放大器,、晶體振蕩器,、調制器、解調器,。輸出功率,、頻道選擇和協(xié)議的設置可以通過 SPI 接口進行實現(xiàn),。空中數(shù)據(jù)傳輸率最高可達2 Mb/s,，有自動應答和自動再發(fā)射功能,。通過對相應寄存器的寫入和讀出來完成對芯片的控制，如實現(xiàn)nRF24L01相應寄存器的初始化,、識別處理數(shù)據(jù)的收發(fā)情況并確保在數(shù)據(jù)傳輸中不發(fā)生數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象等,。其結構框圖如圖3所示?！?/p>
PCB布線的好壞對射頻性能有很大影響,，一個差的PCB板設計可能導致丟包，甚至可能導致不能實現(xiàn)其應有的功能,。nRF24L01的射頻PCB板設計及其周邊元件包括匹配網(wǎng)絡等可以從Nordic下載,。
使用至少兩層板（包括一個地層）。nRF24L01 的直流供電電源應盡可能靠近芯片的VDD引腳,，并且經高質量的RF電容去耦。最好用一個大電容 （比如4.7 μF鉭電容）并聯(lián)一個小電容,。nRF24L01的供電電源必須經過很好的濾波,，并且與數(shù)字供電電源分離。
PCB板避免使用長的電源走線,，所有元器件的地,、VDD及去耦電容應盡可能地靠近nRF24L01芯片。如果在PCB 板的頂層有鋪銅“地”,，VSS應直接與鋪銅面連接,。如果在PCB板的底層有鋪銅“地”，則應該在離VSS腳盡可能近的地方放置過孔連接,。每個VSS最少應有一個過孔,。所有數(shù)字信號線和控制信號線都不能離晶振和電源線太近。
2.3四位LED數(shù)碼管顯示
顯示部分是一個四位8段LED數(shù)碼管,。8段數(shù)碼管由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字形,，引線在元件內部已連接完成，只引出各個筆段和公共電極,。其工作環(huán)境范圍寬泛,，可達-40℃~+75℃；壽命長,，正常情況下可超過80 000小時,。數(shù)碼管外殼采用阻燃PC塑料制作，強度高,、抗沖擊,、抗老化,、防紫外線、防塵,、防潮,。
8段數(shù)碼管可以通過專用驅動芯片控制，適合各種復雜工程需求,。為了點亮數(shù)碼管,，可以選擇靜態(tài)驅動方式或者動態(tài)驅動方式。
在本系統(tǒng)中,，數(shù)碼管采用動態(tài)驅動方式,。該方式中，四位數(shù)碼管的段選線相應地并聯(lián)在一起,，由一個8位I/O端口控制,，形成了段選線的多路復用。而位選線分別由相應的I/O線控制,，實現(xiàn)了各位的分時選通,。
2.4觸摸按鍵
本設計中發(fā)送端下位機上設置了幾個按鈕作為直接計分數(shù)據(jù)發(fā)送開關，用于測試和手持式控制,，此時不需要上位機,。因為本系統(tǒng)中所需按鍵數(shù)較少，故采用彈性小按鍵作為觸摸按鍵,，直接用I/O端口線構成單個按鍵電路,，接口電路配置靈活、軟件結構簡單,。按鍵輸入采用低電平有效工作模式,。
3系統(tǒng)軟件設計
3.1發(fā)送端下位機/接收端C51軟件設計
發(fā)送端下位機/接收端C51程序設計包含三部分：微控制器的初始化、對nRF24L01的訪問和對四位8段數(shù)碼管的控制,。
根據(jù)系統(tǒng)的硬件設計,，需要對nRF24L01模塊和數(shù)碼管顯示模塊進行硬件資源的配置和定義，如圖4所示,。
nRF24L01的模式是由PWR_UP,、CE和PRIM_RX三個引腳定義的，根據(jù)系統(tǒng)的需要來配置其工作狀態(tài),。在配置時,，需要分別根據(jù)這三個引腳的不同狀態(tài)配置不同模式。這里僅僅列出了部分硬件資源的配置情況,，更詳細的資料參看芯片手冊,。
#define RT_MODEPWR_UP=1; PRIM_RX=0; CE=1;//收發(fā)模式
#define RT_MODE PWR_UP=1; PRIM_RX=1; CE=0;//配置模式
#define RT_MODE PWR_UP=1; PRIM_RX=0; CE=0;//待機模式
#define RT_MODE PWR_UP=0; //關機模式
單片機數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖5所示。
（1）將接收機的地址（RX_ADDR）和要發(fā)送的數(shù)據(jù)（TX_DATA）寫入nRF24L01,；
?。?）配置寄存器（CONFIG寄存器）的工作模式,，使其處于發(fā)送模式后，通過微控制器將CE拉高,，時長至少10 μs,；
（3）讀取狀態(tài)寄存器STATUS內的內容,；
?。?）判斷發(fā)送完成標志位是否被置位；
?。?）清空標志位和數(shù)據(jù)緩沖,，此后，nRF24L01進入空閑狀態(tài),。
單片機數(shù)據(jù)接收流程如圖6所示,。
（1）將本機的地址和要接收的數(shù)據(jù)寫入nRF24L01,；
?。?）配置CONFIG寄存器，使其切換為接收模式,，然后將CE拉高,，時長至少130 μs；
?。?）判斷接收完成標志位是否被置位；
?。?）清空標志位,；
（5）讀取數(shù)據(jù)緩存區(qū)內的數(shù)據(jù),；
?。?）清空數(shù)據(jù)緩沖，此后nRF24L01進入任意模式,。
出于節(jié)省I/O口,、減小功耗的考慮，數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式,，P2.0~P2.3作為位選信號的輸出端,，P0.0~P0.7作為段選信號輸出端，利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象和二極管的余暉效應達到顯示效果,。
voiddis_display()
{
P0=seg［count2%10］;
led0=0;
Delay(40);
led0=1;
P0=seg［count2/10］;
led1=0;
Delay(40);
led1=1;
P0=seg［count1%10］;
圖7單片機串口通信程序流程圖……}
單片機RS-232串口通信模塊流程圖如圖7所示,。
3.2發(fā)送端上位機主控界面VB軟件設計
為方便進行一體化控制，如計分數(shù)據(jù)存儲,、多場次計分等,，本系統(tǒng)設計了后臺PC上位機主控制界面程序,，采用VB6進行程序設計。上位機和下位機之間采用通用RS232串口進行數(shù)據(jù)通信［45］,。
后臺主控制程序VB初始化程序如下：
Private SubForm_Load()
Combo1.AddItem "COM1"//串口選擇
Combo1.AddItem "COM2"
……
Combo2.AddItem "4800"//波特率
Combo2.AddItem "9600"
Combo2.AddItem "19200"
MSComm1.InputLen = 1 //一次讀取1字節(jié)
MSComm1.InBufferSize = 3 //設置接收緩沖區(qū)大小3
MSComm1.InBufferCount = 0 //清接收緩沖區(qū)
MSComm1.OutBufferSize = 512//設置發(fā)送緩沖區(qū)大小
MSComm1.OutBufferCount = 0 //清發(fā)送緩沖區(qū)
MSComm1.RThreshold = 3 //每接收3個字符觸發(fā)接收事件
MSComm1.SThreshold = 0//發(fā)送不觸發(fā)Oncomm事件
End Sub
“打開串口”按鈕事件代碼如下：
Private Sub Command11_Click()
Label4.Caption = "串口打開 "
If Form1.Combo1.Text = "COM1" Then
Form1.MSComm1.CommPort = 1
End If
If Form1.Combo1.Text = "COM2" Then
Form1.MSComm1.CommPort = 2 //設置串口
End If
……
If Form1.Combo2.Text = "4800" Then
Form1.MSComm1.Settings = "4800,N,8,1" //設置波特率
End If
If Combo2.Text = "9600" Then
MSComm1.Settings = "9600,N,8,1"
End If
……
Form1.MSComm1.PortOpen = True//打開串口
End Sub
VB程序設計相關事件源代碼如下所示：
A隊“+1分”Click事件代碼如下：
Private Sub Command1_Click()//1
MSComm1.Output = "1"
End Sub
A隊“+2分”Click事件代碼如下：
Private Sub Command2_Click()//2
MSComm1.Output = "2"
End Sub
B隊“+1分”Click事件代碼如下：
Private Sub Command5_Click()//1
MSComm1.Output = "5"
End Sub
B隊“+2分”Click事件代碼如下：
Private Sub Command6_Click()//2
MSComm1.Output = "6"
End Sub
4結論
本文根據(jù)實際需要完成了計分系統(tǒng)的研究與設計,包括整機設計,、下位機底層硬件和軟件設計，較好地達到了預期目標,。
本系統(tǒng)充分利用了STC89C52RC單片機微型化,、低功耗、抗干擾能力強和nRF24L01可較遠距離傳輸信息等優(yōu)點,，節(jié)省了電力和人力成本,。該系統(tǒng)可根據(jù)賽制要求更改，以適用于不同的競賽場合,。
參考文獻
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