毕业设计之基于NRF24L01的IMU数据无线传输系统设计样本.doc

设 计 题 目：
基于NRF24L01IMU数据无线传输系统设计

1月 18日
毕 业 设 计 开 题 报 告
1．结合毕业设计情况，依据所查阅文件资料，撰写字左右文件综述：
文 献 综 述
1.1数据无线传输系统设计研究背景
数据是指用来描述客观事物数字、字母、符号等等[1]，伴随科技进步，人类社会已经进入了数字化信息化时代，所以数据传输质量和速度全部提出了更高要求。针对现在信息化情况，原有有线传输系统虽完成了数字化和网络化，但复杂布线、高昂维护成本使网络节点分布范围受到了很大限制，这在很大程度上阻碍了数据传输信息化深入和普及。所以，对于无线数据传输需求日益迫切。
无线数据传输就是指利用无线电波作为数据传输媒介，将当地计算机或其它设备数据信息调制到载波频率上发射，从而和远程终端之间实现通讯技术[6]。它包含到计算机技术、信息技术、和网络技术等多个学科领域。经过无线传输系统，大家能够获取远端设备运行情况和多种参数指标，经过对采集到数据分析从而实现远程管理、远程控制等功效。
近十几年来，伴随移动通信技术飞速发展，越来越多信息采集和远程控制系统采取了无线数据传送技术。和有线数据传输相比，无线数据传输布线成本低、安装简便、便于移动优点，使其在遥控遥测、门禁系统、无线抄表、小区传呼、工业数据采集、无线遥控系统、无线鼠标等领域全部得到了广泛应用，而且它在高科技领域应用也正在迅猛发展，比如卫星、导弹、无人侦察机等数据采集，遥控机器人等控制，和部分监控设备等。
另外，在现代军事通讯领域方面，无线传输技术也相关键战略地位。在未来高科技战斗中，因为军事卫星通讯手段在未来战争中轻易被摧毁且难以紧急恢复，所以大家能够利用无线短波、超短波等方法实现数据是无线传输，所以取得战争中主动权[8]。民用方面，在部分线路架设比较困难地方，或有天然阻隔地理条件较复杂较恶劣地方数据无线传输便显示出了巨大威力。无线传输还便于通讯设备移动，含有显著灵活性。
1.2数据无线传输发展现实状况及前景
进入二十一世纪，无线数据通讯技术在中国蓬勃发展，也得到了信息产业部和各行各业高度重视，因为任何有线数据传输网络只能是网状覆盖，而无线数据传输网可达成真正面覆盖。现在关键短距离无线数据传输技术关键有蓝牙、Zigbee、IEEE802.11x、微功率短距离无线通讯技术[10]，和已含有相当规模无线长距离通讯网络（比如蜂窝移动通讯网、卫星数据通讯）相比，短距离无线通讯系统在基础结构、服务范围、应用层次和通讯业务（数据、话音）上，全部有很大不一样。下面分别介绍这多个无线传输技术。
蓝牙技术（Bluetooth）关键面对网络中多种数据和语言设备，经过无线方法将它们连接起来，从而方便快速实现数据传输，它使用2.4GHZISM频段，最大传输率1Mbit/s ；IEEE802.11x技术标准是无线局域网国际标准，也是用2.4GHZISM频段，协议关键在OSI物理层和数据链路层，即使传输速度快，但这类设备比较昂贵，技术复杂；Zigbee是一个新型短距离、低速度、低功耗无线网络技术，是一个介于无线标识技术和蓝牙之间技术，基于IEEE无线个人区域网标准，数据传输速率通常为10kb/s到250kb/s，有效覆盖范围10到75米，因为其协议简单、成本低、网络容量大等优点，使其在无线传感网络中得到广泛应用。
在未来，短距离无线数据传输将向着更高传输速率、更高传输正确度方向发展，而且传输设备成本也会深入降低，传输协议也会深入简单，从而是短距离无线通讯走入我们生活，给我带来更多方便。
1.3本课题研究意义
此次课题研究内容是经过C8051F020单片机控制无线数据传输芯片NRF24L01，以此来实现数据无线传输，不管是在国防军事方面，还是民用通讯方面全部有很关键研究意义。
惯性测试单元（IMU）含有特点是实时性，因为零偏会伴随时间改变而改变，必需随时进行跟踪 。当系统装入弹体后，必需经过无线数据发送模块将系统实时零偏、标度因数等参数随时发送到地面，这么能够得到实时数据，进行实时解算，得到解算参数，从而能够对导弹飞行姿态等多种参数进行实时调整。所以，本课题经过单片机控制，将IMU采集到数据实现短距离无线传输，在测试领域含相关键意义。

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2．本课题要研究或处理问题和拟采取研究手段（路径）：
2.1本课题研究问题
学习C8051F020单片机工作原理，用C语言编写单片机程序，控制单片机采集IMU输出，并将其转换为数字数据，传输给无线射频模发射块（NRF24L01无线传输芯片）。用一样原理设计无线接收模块，将无线发射数据接收，并经过串口传送数据给上位机。
2.2方案介绍
2.2.1方案整体设计思绪
经过单片机(C8051F020)将IMU单元输出六路模拟数据采集，再利用单片机内部AD转换部分将模拟信号转换成数字信号，然后经过SPI总线将数据传输给无线发送芯片(NRF24L01) ,无线发送芯片将数据发送出去。一样，接收端单片机(C8051F020)经过SPI总线控制接收端芯片，将无线传输过来数据接收，并将数据传送给上位机，从而实现了对IMU数据采集、转换、无线传输、和存放。
系统整体步骤图图1所表示：

图1. 整体设计步骤图
2.2.2 数据采集模块
单片机C8051F020内部有实现数据转换所需要ADC和DAC，其中ADC有两个，一个是9通道12位分辨率逐次迫近寄存器型ADC，另一个是8通道8位分辨率逐次迫近寄存器型ADC，转换方法、速率等全部可经过程序设置。
从IMU采集到6路传感器数据是模拟信号，经过端口Ain0 ～ Ain7被采集到单片机内部，经过内部AD转换电路将模拟信号转换成8位正确度数字信号，并将数据存放到数据字寄存器中，等候深入将其传送到无线数据发送芯片内部。
2.2.3数据传送输模块
单片机C8051F020有三个串行口，其中SMbus是兼容于I2C串行扩展总线，还有SPI串行扩展接口，和两个增强型UART串口，它们可同时和外界进行串行数据传输。此次课题研究采取是是SPI串行外设接口，它是一个4线（MOSI、MISO、SCK、NSS）、全双工串行总线，支持在同一总线上将多个从器件连接到一个主器件上，能够经过程序设计工作方法。经过编写程序，将转换完成数字信号经过SPI串行外设接口传送到无线数据发送芯片NRF24L01中。
2.2.4数据发送模块
无线射频芯片NRF24L01工作于2.4GHZISM频段，含有高达2Mbps传输速度，内置CRC校验和犯错重传机制，在2Mbps速度下，接收电流仅为12.3mA ，发送电流仅为11.3mA ，功耗很低。
发送端单片机C8051F020能够经过编写Ｃ语言程序对无线射频芯片NRF24L01参数进行设置，将其设置为发送模式，然后等候外部中止输入，当中止输入，则控制芯片将数据发射接收模式，假如在有效应答时间内收到应答信号，则认为数据成功发送到接收端，假如没收到则重新发送数据，若自动重发计数器ARC_RT溢出，则IRQ引脚产生中止，经过写状态寄存器来复位。若收到应答信号，则认为数据成功发送到接收端，则继续发送TX FIFO寄存器中下一包数据。
2.2.5数据接收模块
接收端单片机C8051F020能够经过输入Ｃ语言程序对无线射频芯片NRF24L01参数就行设置，设为接收模式以接收检验信号。接收到检验信号后，NRF24L01自动应答功效会发送应答信号给发送端已确定收到信号，接着NRF24L01经过IRQ 中止通知接收端单片机，单片机进行数据接收并将其传送给上位机。
接收端单片机在接收到中止同时，要同发射端芯片进行时间上协同，以此来确保发送和接收配合。最终清除NRF24L01状态寄存器，再次为下一次数据接收做好准备。

2.3 软件设计模块
2.3.1发射部分程序设计
先编写初始化程序，设置单片机初始状态，再写AD转换程序，将模拟信号转换为数字信号。然后，编写时序，从寄存器中读出数据，发送给无线传输芯片，无线传输芯片便会自动将TX FIFO寄存器中数据依次发送出去。程序步骤图图2所表示：

图2.发射部分程序步骤图

2.3.2接收部分程序步骤设计
写编写程序，设置单片机寄存器初始状态，和接收芯片初始状态，然后编写接收程序，将接收芯片RX FIFO寄存器中数据读出来，经过串口，传送给上位机。程序步骤图以下：

图3.接收部分程序步骤图

[1]