《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于nRF24L01和Actel FPGA的智能探測系統(tǒng)設(shè)計
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第10期
何 偉,, 陳 鋒, 張 玲,, 邢 嵐
重慶大學(xué) 通信工程學(xué)院, 重慶400044
摘要: 設(shè)計了基于nRF24L01無線數(shù)據(jù)傳輸芯片和Fusion StartKit開發(fā)板的智能探測系統(tǒng),。通過開啟nRF24L01的ACK PAYLOAD功能實現(xiàn)車載系統(tǒng)與上位機(jī)之間的雙向通信,,采用Actel公司帶有APB3總線的8051S軟核在Fusion StartKit開發(fā)板上構(gòu)建片上系統(tǒng),使用MFC編寫Windows環(huán)境下的人機(jī)交互界面,實現(xiàn)了具有實時數(shù)據(jù)傳送,、自動避障,、遠(yuǎn)程操控等功能的智能探測系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞: FPGA nRF24L01 ACKPAYLOAD 8051S APB3總線
中圖分類號: TN92
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2010)10-0111-03
Design of smart explorative system based on nRF24L01 and Actel FPGA
HE Wei, CHEN Feng, ZHANG Ling, XING Lan
College of Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400044, China
Abstract: Designed the smart explorative system based on single chip 2.4 GHz transceiver nRF24L01 and Fusion StartKit development board.Realized two-way communication between car-system and PC by opening the nRF24L01′s advanced feature ACK PAYLOAD,builded the SOPC structure in Fusion StartKit development board using Core8051s with APB3 bus of Actel corporation,finished man-machine interface on windows operating system composed by MFC. Finally accomplished the smart explorative system with the functions of real-time data transmission, automatic obstacle avoidance, remote control.
Key words : nRF24L01,;ACK PAYLOAD,;8051S;APB3 bus

    目前一些惡劣或危險的環(huán)境人類仍然無法置身其中進(jìn)行現(xiàn)場檢測,,如出現(xiàn)險情的礦井地道,、地形崎嶇的巖洞等,很難取得現(xiàn)場的參數(shù),。在這種情況下只有借助于智能探測裝置,。因智能小車控制方便、行動靈活,,對比其他載體工具更容易勝任探測任務(wù),,因此成為各種探測儀器的首選工具。
    本文設(shè)計的智能探測系統(tǒng)以小車為載體,,將所測得的現(xiàn)場參數(shù)通過nRF24L01無線模塊實時傳回上位機(jī),具有快速靈活的特點,;在實際工作時可左右轉(zhuǎn)向和后退,自動躲避障礙物;同時該小車操控方便,可通過MFC搭建的人機(jī)交互界面利用鼠標(biāo)和鍵盤對小車進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,。
1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計
    該系統(tǒng)基于Actel FPGA實現(xiàn),采用兩塊Fusion Startkit開發(fā)板,,一塊作為車載控制板,另一塊作為中轉(zhuǎn)板,。車載控制板負(fù)責(zé)采集溫度,、濕度、板載電壓,、當(dāng)前路況以及人體檢測等現(xiàn)場信息,,驅(qū)動小車運行,,同時通過無線發(fā)送現(xiàn)場信息以及接收上位機(jī)的控制命令。中轉(zhuǎn)板負(fù)責(zé)將接收到的無線信號通過串口轉(zhuǎn)發(fā)給PC機(jī),,同時將PC機(jī)由串口返回的控制指令利用無線模塊發(fā)送給車載控制板,。PC機(jī)上采用MFC編寫人機(jī)交互界面,顯示小車所在環(huán)境的相關(guān)信息,,同時提供鼠標(biāo),、鍵盤等完善的操控手段。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 無線數(shù)據(jù)傳輸芯片nRF24L01
2.1.1 芯片簡介[1]

 nRF24L01是挪威NorDic公司的單片2.4 GHz無線收發(fā)一體芯片,有多達(dá)125個頻道可供選擇,支持1 Mb/s和2 Mb/s傳輸速率,。該芯片采用SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫和參數(shù)配置,以寄存器映射方式對各個寄存器進(jìn)行管理,,同時具有自動重傳,、動態(tài)有效信息長度(DPL)、應(yīng)答信號攜帶有效信息(ACK PAYLOAD)等高級功能,。
2.1.2 功能
 動態(tài)有效信息長度(DPL)指的是發(fā)送端的nRF24L01芯片通過寫入有效數(shù)據(jù)區(qū)的數(shù)據(jù)長度決定當(dāng)前一幀數(shù)據(jù)的大小,,而接收端則通過接收到的數(shù)據(jù)幀中的控制域信息而不是寄存器中定義的數(shù)據(jù)長度提取有效數(shù)據(jù)。這個功能極大地提高了無線信道的使用率,,同時減少了冗余數(shù)據(jù)的傳播,,降低了數(shù)據(jù)在空中滯留的時間和數(shù)據(jù)被污染的概率。配合nRF24L01的CRC校驗和自動重傳功能,,在有效地降低數(shù)據(jù)誤碼率的同時保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性,。
 應(yīng)答信號攜帶有效信息(ACK PAYLOAD)[2]指nRF24L01芯片在開啟自動重傳和DPL的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的雙向通信功能。圖2為一對無線模塊之間的一次攜帶應(yīng)答有效信息的數(shù)據(jù)傳輸過程,。主發(fā)送模塊(PTX)發(fā)送完第1幀數(shù)據(jù)后,,自動置為接收模式,等待主接收模塊(PRX)發(fā)送應(yīng)答信號或攜帶有效數(shù)據(jù)的應(yīng)答信號,。主接收模塊收到主發(fā)送模塊發(fā)送的第1個數(shù)據(jù)幀后,若此時有需要附加的有效數(shù)據(jù),則在發(fā)送完ACK信號后繼續(xù)發(fā)送有效數(shù)據(jù),。而主發(fā)送模塊收到ACK信號后繼續(xù)接收有效信號,,直到空中沒有殘留的無線信號再開始發(fā)送第2幀信號。

    使用ACK PAYLOAD可以實現(xiàn)車載系統(tǒng)和PC機(jī)的雙向通信,,該功能很好地解決了手動切換無線收發(fā)狀態(tài)導(dǎo)致雙方互相等待的問題,,同時只在需要對車載控制板進(jìn)行控制的時刻附帶應(yīng)答有效信息,可以減少不必要的通信過程,,大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性,。
2.1.3 實現(xiàn)功能的配置方法
    要實現(xiàn)nRF24L01的ACK PAYLOAD功能需要經(jīng)過以下步驟:首先進(jìn)行無線模塊的基本配置,包括發(fā)送接收模式的選擇(CONFIG)、開啟自動重傳功能(EN_AA),、接收地址使能(EN_ADDR),、設(shè)置重傳時間不為零(SETUP_RETR)等,;然后同時開啟DPL和ACK PAYLOAD功能,要實現(xiàn)這兩個功能,,必須在完成第一步之后用nRF24L01自帶的ACTIVATE命令加上0x73數(shù)據(jù)開啟默認(rèn)隱藏的兩個寄存器FEATURE和DYNPD,。通過對這兩個寄存器的設(shè)置就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向通信。但要注意,,接收端開啟DPL后要使用R_RX_PL_WID命令讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)幀的有效數(shù)據(jù)長度,,同時使用W_ACK_PAYLOAD命令將ACK PAYLOAD寫入FIFO。
2.2 Core 8051S架構(gòu)
 Core 8051S是Actel公司推出的基于APB3總線的8051IP核,,兼容8051的全部指令,,同時又具備許多51單片機(jī)所沒有的獨特功能:
   (1)具有可配置的JTAG接口調(diào)試功能,可利用FlashPro下載器作為其調(diào)試工具;優(yōu)化指令執(zhí)行速度,,內(nèi)部設(shè)置流水線,,可實現(xiàn)單個時鐘周期執(zhí)行一條指令,且是普通51單片機(jī)的12倍,。
   (2)采用APB3外設(shè)總線結(jié)構(gòu)和SFR寄存器內(nèi)存映射方式管理外設(shè),將外部擴(kuò)展的64 KB數(shù)據(jù)空間中的最高4 KB作為APB3外設(shè)的寄存器內(nèi)存映射地址,每個APB3外設(shè)占據(jù)256 B的地址,,因此最多可添加16個外設(shè)。
   (3)使用CoreConsole[3]軟件以圖形化界面的方式添加Core8051S以及其他外設(shè),既直觀又方便,。
   圖3是以CoreConsole開發(fā)的,、基于Core8051S和APB3總線的SOPC系統(tǒng)的典型架構(gòu)。該軟件的開發(fā)流程與Altera公司基于NIOS II處理器的SOPC開發(fā)流程類似,,同時又具有其獨特優(yōu)勢:在系統(tǒng)不復(fù)雜,、控制部分遠(yuǎn)多于計算處理時,使用Core8051S可靈活迅速地進(jìn)行開發(fā),通過安裝ISA-Actel51為Keil提供調(diào)試驅(qū)動可直接使用Keil編寫代碼并進(jìn)行在線程序調(diào)試,而優(yōu)化后的指令執(zhí)行速度可滿足大部分應(yīng)用的要求。

 本系統(tǒng)設(shè)計步驟:
 (1)利用CoreConsole以圖形化方式設(shè)計片上系統(tǒng)所需的總線及外設(shè),包括SPI,、PWM,、GPIO、UART等模塊;配置各模塊與APB3總線之間的連接關(guān)系,正確分配外設(shè)地址;然后生成.V文件導(dǎo)入Actel集成開發(fā)環(huán)境Libero,。
 (2)使用Libero的Flash Memory System Builder將Fusion內(nèi)部的Flash模塊配置為Core8051S的外部程序空間,。如果有必要還可以將Fusion StartKit開發(fā)板上的SRAM作為Core8051S的外部數(shù)據(jù)空間使用。
 (3)將工程編譯綜合后下載到開發(fā)板上,,通過Keil編寫程序并進(jìn)行調(diào)試,。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1 車載控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

 車載系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心部分,它擔(dān)負(fù)著現(xiàn)場環(huán)境探測,遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸以及未知區(qū)域檢測等重要功能,。因此該部分的設(shè)計對可靠性和穩(wěn)定性要求較高,。系統(tǒng)的軟件流程圖如圖4所示。

    車載系統(tǒng)軟件包含兩部分功能:采集現(xiàn)場各種參數(shù)和實現(xiàn)各種運行模式,。通過溫濕度傳感器和人體紅外傳感器采集溫濕度值以及現(xiàn)場環(huán)境是否有人信號,;通過無線返回參數(shù)決定當(dāng)前小車的運行模式,包括自動運行模式、半遙控模式和全遙控模式,。自動運行模式下小車會根據(jù)采集到的光電對管組信息分析當(dāng)前的路況,,從而作出相應(yīng)運行路徑修正處理;半遙控模式下通過鼠標(biāo)控制Windows界面的參數(shù)來控制小車的行動,;全遙控模式下通過操控鍵盤可直接操控小車運行,。
   車載系統(tǒng)自動運行時,通過內(nèi)部算法進(jìn)行路徑選擇和障礙規(guī)避,。由于光電對管組信息相對較少,,故采用查表映射法進(jìn)行舵機(jī)電機(jī)驅(qū)動控制,即將光電對管組采集到的信息進(jìn)行分類,,根據(jù)不同的信息賦予小車不同的電機(jī)和舵機(jī)驅(qū)動值,,而光電對管組采集得到的信息為6 bit數(shù)據(jù),也就是數(shù)值為0~63,,將其作為數(shù)組的下標(biāo),,在數(shù)組內(nèi)容中根據(jù)下標(biāo)所表征的類型設(shè)置不同的經(jīng)驗值,通過大量的運行測試即可得到比較理想的參數(shù),。車載系統(tǒng)檢測到小障礙物時,,查表得到舵機(jī)電機(jī)參數(shù),轉(zhuǎn)過一定角度繞開障礙物繼續(xù)運行,;檢測到較大障礙物且無法繞過時,,車載系統(tǒng)倒車回到安全區(qū)域繼續(xù)運行。
 由于光電對管組存在干擾信號,,在算法上進(jìn)行了如下濾波處理:利用記憶功能將前幾次的行進(jìn)路線保存,,通過與當(dāng)前輸出狀態(tài)的比對,判斷是否為干擾信息以決定是否摒棄當(dāng)前控制量,。
 以上算法保證了車載系統(tǒng)在運行中出錯概率降到最低,。
3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計
    人機(jī)交互界面是采用微軟基礎(chǔ)類(MFC)開發(fā)的基于對話框架構(gòu)的應(yīng)用程序。采用CMSComm類處理中轉(zhuǎn)板與PC之間的串口通信,同時通過截獲軟件系統(tǒng)的消息傳遞函數(shù)來實現(xiàn)對鍵盤值的判斷,。
    本文詳細(xì)介紹了nRF24L01無線芯片的DPL和ACK PAYLOAD等功能,實現(xiàn)了車載系統(tǒng)與上位機(jī)之間的雙向通信,,使用Actel公司的CoreConsole工具構(gòu)建SoPC片上系統(tǒng),同時設(shè)計了PC機(jī)上人機(jī)交互界面,完善了系統(tǒng)的運行和控制,,實現(xiàn)了具有實時數(shù)據(jù)傳送,、自動避障、遠(yuǎn)程操控等功能的智能探測系統(tǒng),。
參考文獻(xiàn)
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