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毕业设计之基于NRF24L01的IMU数据无线传输系统设计

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2020年4月19日
文档仅供参考

设 计 题 目:
基于NRF24L01的IMU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,根据所查阅的文献资料,撰写 字左右的文献综述:
文 献 综 述
1.1数据无线传输系统设计的研究背景
数据是指用来描述客观事物的数字、字母、符号等等[1],随着科技的进步,人类社会已经进入了数字化信息化的时代,因而数据传输的质量和速度都提出了更高的要求。针对当前信息化的状况,原有的有线传输系统虽完成了数字化与网络化,但复杂的布线、高昂的维护成本使的网络节点的分布范围受到了很大的限制,这在很大程度上阻碍了数据传输信息化的深入与普及。因此,对于无线数据传输的需求日益迫切。
无线数据传输就是指利用无线电波作为数据传输的媒介,将本地计算机或其它设备的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的技术[6]。它涉及到计算机技术、信息技术、以及网络技术等多个学科领域。经过无线传输系统,人们能够获取远端设备的运行情况以及各种参数指标,经过对采集到的数据的分析从而实现远程管理、远程控制等功能。
近十几年来,随着移动通信技术飞速发展,越来越多的信息采集和远程控制系统采用了无线数据传送技术。与有线数据传输相比,无线数据传输布线成本低、安装简便、便于移动的优点,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、无线鼠标等领域都得到了广泛的应用,而且它在高科技领域的应用也正在迅猛发展,比如卫星、导弹、无人侦察机等的数据采集,遥控机器人等的控制,以及一些监控设备等。
另外,在现代军事通讯领域方面,无线传输技术也有重要的战略地位。在未来高科技战斗中,由于军事卫星通讯手段在未来战争中容易被摧毁且难以紧急恢复,因此人们能够利用无线短波、超短波等方式实现数据是无线传输,因而取得战争中的主动权[8]。民用方面,在一些线路架设比较困难的地方,或者有天然的阻隔的地理条件较复杂较恶劣的地方数据的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,具有明显的灵活性。
1.2数据无线传输的发展现状及前景
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以及各行各业的高度重视,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到真正的面覆盖。当前主要的短距离无线数据传输技术主要有蓝牙、Zigbee、IEEE802.11x、微功率短距离无线通讯技术[10],与已具备相当规模的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本结构、服务范围、应用层次以及通讯业务(数据、话音)上,均有很大不同。下面分别介绍这几种无线传输技术。
蓝牙技术(Bluetooth)主要面对网络中的各种数据和语言设备,经过无线方式将它们连接起来,从而方便快速的实现数据传输,它使用2.4GHZ的ISM频段,最大传输率1Mbit/s ;IEEE802.11x的技术标准是无线局域网的国际标准,也是用2.4GHZ的ISM频段,协议主要在OSI的物理层和数据链路层,虽然传输速度快,但此类设备比较昂贵,技术复杂;Zigbee是一种新型的短距离、低速度、低功耗无线网络技术,是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术,基于IEEE无线个人区域网标准,数据传输速率一般为10kb/s到250kb/s,有效覆盖范围10到75米,由于其协议简单、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的应用。
在未来,短距离无线数据传输将向着更高传输速率、更高传输精确度的方向发展,而且传输设备的成本也会进一步降低,传输协议也会进一步简单,从而是短距离无线通讯走入我们的生活,给我带来更多方便。
1.3本课题研究的意义
本次课题研究的内容是经过C8051F020单片机控制无线数据传输芯片NRF24L01,以此来实现数据的无线传输,无论是在国防军事方面,还是民用通讯方面都有很重要的研究意义。
惯性测试单元(IMU)具有的特点是实时性,因为零偏会随着时间的变化而变化,必须随时进行跟踪 。当系统装入弹体后,必须经过无线数据发送模块将系统实时的零偏、标度因数等参数随时发送到地面,这样能够得到实时的数据,进行实时解算,得到解算的参数,从而能够对导弹的飞行姿态等各种参数进行实时的调整。因此,本课题经过单片机控制,将IMU采集到的数据实现短距离的无线传输,在测试领域具有重要的意义。

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2．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段(途径):
2.1本课题研究的问题
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的输出,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)。用同样的原理设计无线接收模块,将无线发射的数据接收,并经过串口传送数据给上位机。
2.2方案介绍
2.2.1方案的整体设计思路
经过单片机(C8051F020)将IMU单元输出的六路模拟数据采集,再利用单片机内部的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。同样,接收端单片机(C8051F020)经过SPI总线控制接收端芯片,将无线传输过来的数据接收,并将数据传送给上位机,从而实现了对IMU数据的采集、转换、无线传输、以及存储。
系统整体流程图如图1所示:

图1. 整体设计流程图
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的ADC和DAC,其中ADC有两个,一个是9通道12位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC,另一个是8通道8位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC,转换方式、速率等都可经过程序设置。
从IMU采集到的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,经过内部的AD转换电路将模拟信号转换成8位精确度的数字信号,并将数据存储到数据字寄存器中,等待进一步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,以及两个增强型UART串口,它们可同时与外界进行串行数据的传输。本次课题研究采用是的是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式。经过编写程序,将转换完成的数字信号经过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2.4GHZ的ISM频段,具有高达2Mbps的传输速度,内置CRC校验和出错重传机制,在2Mbps的速度下,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的参数进行设置,将其设置为发送模式,然后等待外部中断的输入,当中断输入,则控制芯片将数据发射接收模式,如果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,如果没收到则重新发送数据,若自动重发计数器ARC_RT溢出,则IRQ引脚产生中断,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寄存器中的下一包数据。
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的参数就行设置,设为接收模式以接受检验信号。接收到检验信号后,NRF24L01的自动应答功能会发送应答信号给发送端已确认收到信号,接着NRF24L01经过IRQ 中断通知接收端单片机,单片机进行数据接收并将其传送给上位机。
接收端的单片机在接收到中断的同时,要同发射端芯片进行时间上的协同,以此来保证发送和接收的配合。最后清除NRF24L01的状态寄存器,再次为下一次数据的接收做好准备。

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,设置单片机的初始状态,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寄存器中的数据依次发送出去。程序流程图如图2所示:

图2.发射部分程序流程图

2.3.2接收部分程序流程设计
写编写程序,设置单片机寄存器的初始状态,以及接收芯片的初始状态,然后编写接收程序,将接收芯片的RX FIFO寄存器中的数据读出来,经过串口,传送给上位机。程序流程图如下:

图3.接收部分程序流程图

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