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1、精品论文大集合无线式模型车运动状态监控系统赵轩，秦绪鑫，曹仁磊，韩毅 长安大学汽车学院，陕西西安（710064） E-mail: bluesky_摘要：介绍了一种利用单片机和无线数据传输芯片构成的无线数据传输系统。该系统以nRF24L01 无线传输芯片为核心，使用单片机 MC9S12DG128B 控制数据的发射，USB24L01 为无线接收模块，并通过 USB 接口将数据发送到上位机，在计算机中对数据进行分析、优 化得到智能模型车运动状态中的相关参数和运动轨迹，以此来提高模型车的行驶速度和操纵 稳定性。该系统具有结构简单，工作稳定可靠，传输速率高，体积小，成本低，功耗低等特 点。关键词：无线传
2、输；nRF24L01；单片机；模型车；USB24L01； 中图分类号：TP302文献标识码：A0. 引言寻迹智能模型车是机器人领域广泛研究的对象，国内外很多比赛都以自动寻迹智能模 型赛车为内容，如“飞思卡尔杯大学生智能车竞赛”和“瑞萨杯 MCU 模型车大赛”。本文以参 加“飞思卡尔杯”全国智能车竞赛的智能模型赛车为研究对象，设计了一种基于无线传输的运 动状态监控系统。该系统采用 Nordic 公司生产的工作于 2.4GHz 频段的射频芯片 nRF24L01 作为收发芯片，以飞思卡尔单片机 MC9S12DG128B 为控制单元控制数据发送，使用 USB24L01 为接收模块，并通过 USB 接口
3、把数据传输到上位机。在上位机中利用 VC+编写 数据采集程序，在屏幕上实时描绘智能模型车的运动状态，行驶轨迹和性能参数，并将数据 保存到硬盘。在计算机中对数据进行分析处理和优化，得到模型赛车的最佳运动状态和性能 参数，以此来提高模型赛车的行驶速度。图 1 是系统的示意图。图 1：系统示意图近年来随着射频技术，集成电路，自动控制，无线数据通信技术的迅速发展，无线传 输技术已经被广泛应用于实际中1。本文设计了一种基于 nRF24L01 的无线数据传输系统， 该系统具有工作稳定可靠，传输速率高，体积小，成本低，功耗低，软硬件设计简单，通信 稳定，使用灵活等特点。- 7 -1. 概述1.1nRF24L
4、01 芯片的特点及其应用nRF24L01 是一款新型单片射频收发器件，工作于 2.4 GHz2.5 GHz ISM 频段。内置 频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型 ShockBurst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01 功耗低，在以-6 dBm 的功 率发射时，工作电流也只有 9 mA；接收时，工作电流只有 12.3 mA，多种低功率工作模式(掉 电模式和空闲模式)使节能设计更方便。 nRF24L01 主要特性如下2：（1）GFSK 调制；（2）具有自动应答和自动再发射功能；（3）片内自动生成报头和 CRC 校验码；（4）数据传
5、输率为 l Mb/s 或 2Mb/s；（5）SPI 速率为 0 Mb/s10 Mb/s；（6）与其他 nRF24 系列射频器件相兼容；（7）供电电压为 1.9 V3.6 V。nRF24L01 芯片具有两种通信模式：Direct Mode（直接模式）和 ShockBurstTM Mode（突 发模式）。直接模式的使用与其他传统射频收发器的原理一样，需要通过软件在发送端添加 校验码和地址码，在接收端判断是否为本机地址，并检查数据是否传输正确。突发模式使用 芯片内部的先入先出堆栈区，数据可从低速微控制器送入，高速发射出去，地址和校验码由 硬件自动添加和去除3。这种模式的优点是：可使用低速微控制器控制
6、芯片工作；减小 功耗；射频信号高速发射，抗干扰性强；减小整个系统的平均电流。因此使用 nRF24L01 芯片特有的 ShockBurstTM Mode，使得系统整体的性能和效率提高4。nRF24L01 的封装及引脚排列如图 2 所示。各引脚功能如下：CE 为使能发射或接收； CSN，SCK，MOSI，MISO 为 SPI 引脚端，微处理器可通过此引脚配置 nRF24L01；IRQ 为 中断标志位；VDD 为电源输入端；VSS 为电源地；XC2，XC1 为晶体振荡器引脚；VDD_PA为功率放大器供电，输出为 1.8 V；ANT1，ANT2 为天线接口；IREF 为参考电流输入2。图 2nRF24
7、L01 引脚图nRF24L01 工作模式有 4 种：发射模式、接收模式、空闲模式、掉电模式，通过配置寄存器可切换工作模式，如表 1 所示5。表 1 nRF24L01 工作模式nRF24L01 芯片在该无线数据传输系统中应用原理如图 3 所示。图 3：nRF24L01 应用原理图1.2 USB24L01 简介杭州威步科技有限公司生产的最新产品 USB24L01，是在 nRF24L01 的基础上自带控 制接收的外围电路和 USB 接口，并提供二次开发包, 提供示例代码，无需掌握 USB 驱动开 发和 USB 协议以及无线通信协议，只需要通过软件编程来控制无线收发。2. 硬件设计智能模型车采用 MC
8、9S12DG128B 作为控制单元，模型车在运行时，S12 单片机采集来 自传感器的路径信号，传感器识别白色背景中的黑色赛道线，根据赛道的方向和位置对模型 车的速度和运动方向进行实时控制，同时将事先设定好需要发送的数据发送到 nRF24L01， 然后启动发射程序发送数据。nRF24L01 芯片采用 ShockBurstTM 发射模式，工作速率可达到1Mbps，因此智能车的运行不会受到发射的干扰。另一方面，nRF24L01 采用 SPI 串行通信 接口，采用模拟 SPI 进行数据传输时与 S12 单片机之间只需六根线，方便于在智能车上添加该系统。如图 4 所示，S12 单片机的 PORTB0PO
9、RTB5 配置成通用 IO 引脚，分别与nRF24L01 的 IRQ，CE，CSN，SCK，MOSI，MISO 连接，控制 nRF24L01 的工作方式，采用 SPI 接口与 CPU 通信。3. 软件设计3.1 数据发送图 4：数据发送端电路图智能车运行时，S12 单片机根据模型车的运行情况将位置，速度，方向，路径，电机转速，舵机转角等模型车参数，按照时序由 SPI 口写入 nRE24L01 缓存区，然后 CE 置为高 电平，并延时一段时间后发射数据；在应答模式下，nRF24L01 在发射数据后立即进入接收 模式，接收应答信号。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS 置高，同时 TX_P
10、LD 从发送堆栈中清除；若未收到应答，说明发送失败，并记录下发送失败的次数，则自动重新 发射该数据。发射程序采用 C 语言编写，编译环境为 Code Warrior4.7，通过清华大学提供 的 BDM 将程序烧写到 S12 芯片中。发送数据的主要代码如下：void Spi_ByteWrite(unsigned char send) /SPI 写字节函数PWR_UP=1;PRIM_RX=0;/ nRF24L01 配置为发射模式if (DATA7)/总是发送最高位DATA = 1;elseDATA = 0;DATA_BUF = DATA_BUF 1;/左移一位Delay(10); /延时sprin
11、tf(TxRxBuf,%d,%d,%d,%d,%d,%d,speed,setspeed,mid,count,dif,numm);/ 将需要发送 的数据转换格式后存到数组 TxRxBufRF2401_TxPacket(TxRxBuf)/数据发送函数Spi_ByteWrite(TxAddressi);/往数据包写入地址Spi_ByteWrite(TxBufi);/往数据包写入所要发送的数据3.2 接收数据接收数据时,首先将 nRF24L01 配置为接收状态模式，进入接收状态等待数据，当接收 方检测到有效的地址和通讯协议时，就开始接收数据，并将 nRF24L01 接收到的数据通过单 片机和 USB
12、芯片实时写入计算机缓存区。程序流程图如图 5 所示。4. 结束语图 5：程序流程图系统以 nRF24L01 2.4GHz 无线数据传输芯片为核心，以飞思卡尔智能赛车为载体，设计了一套无线数传和采集系统，通过使用该系统可以对智能赛车在运行过程中的运行状态进 行实时监控。对采集到的数据进行分析为进一步提高赛车速度提供了准确的依据。本文所设 计的模型车运动状态监控系统具有以下的特点：（1） 利用 nRF24L01 无线数据传输芯片和单片机 MC9S12DG128B 构成无线发射模 块,使用 USB24L01 为无线接收模块。（2） 使用“飞思卡尔全国大学生智能车大赛”主委会提供的车模作为系统实现其功
13、能 的模型车。（3） 该实用系统是一套能够很简单的应用在智能赛车上的无线传输系统，该系统成 本低，硬件电路和控制程序简单。（4） 成本低，体积小，造价低，可靠性好可以方便简单的在模型车上安装使用。（5） 微处理器技术先进，性能稳定，可靠性高，技术优先。（6） 检测数据可靠，直观，并且可以保存以便以后研究分析。如图 6 所示，上位机 根据无线数据传输系统传送的数据，绘制的模型赛车运动状态图。十字交叉线图弯道图S 形弯道图图 6：车模运动状态采集图参考文献1丁永红,孙运强.基于 nRF24L01 的无线数传系统设计J.国外电子测量技术. CN 11-2268/TN.2时志云, 盖建平. 新型高速无
14、线射频器件 nRF24L01 及其应用J. 国外电子元器件,1006-6977 （2007 ）-08-0042-03.3刘志平,赵国良.基于 nRF24L01 的近距离无线数据传输,应用科技.1009-671X(2008)-03-0055-04.4陈丽娟,常丹华.基于 nRF2401 的无线数据通信J.电子器件,2006,1:248-250.5 nRF24L01 Single Chip 2.4GHz Radio TranscieverD. nRF24L01 Product Specification.The Monitoring System of the Wireless Model Car
15、s MotionStateZHAO Xuan, QIN Xu-xin, Cao Ren-lei, HAN YiAutomobile institute, Changan University, Xian Shaanxi (710064)AbstractThis paper introduces a wireless data transmission system which is composed of a kind of wireless datatransmission chip and MCU. The system, whose core is the wireless transm
16、ission chip nRF24L01, employs the MC9S12DG128B to control the data transmission using USB24L01 as the wireless receive module and sending the data to the host computer through the USB interface. And the data is analyzed and optimized by the computer to get the related parameters and motion trajector
17、y of the model car, through which to improve its speed and handling stability. This system is characterized by its simplicity, high reliability, high transmission rate, small volume, low cost and low power dissipation.Keyword: wireless data transmission; nRF24L01; model car; USB24L01作者简介：赵轩（1983-），男，陕西西安，长安大学，硕士。主要研究领域为汽车电子控制。