基于 NＲF24L01 的无线数据采集系统设计

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1系统设计方案

本设计主要分为2部分:数据采集发送端系统结构和无线接收端系统结构。

1．1发送端系统结构

该系统架构由数据采集发送系统和无线数据接收显示系统组成，在数据采集发送系统中，使用AD数模转换器将采集的模拟信号转换成数字信息，并传输到主控模块，主控模块将接收的数据一路在本地LCD液晶屏上实时显示，另一路通过NＲF24L01无线模块进行无线传输发送，设计采用STC90C51单片机处理器作为主控制器，并设计了晶振时钟电路和复位电路。数据采集发送系统结构见图1。

1．2接收端系统结构

无线数据接收显示模块采用NＲF24L01模块接收数据采集系统发送的无线数据，主控器CPU从NＲF24L01模块中读取接收数据，读取数据后将接收数据通过LCD1602液晶显示模块进行数字显示，同时将该数据使用ＲS232串行接口发送到外部PC机，PC机处理器对接收的数据根据应用环境进行后端数据处理分析。该接收模块控制器也同样采用STC90C51单片机处理器，接收模块结构见图2。

2系统硬件电路设计

硬件电路设计包括:复位电路、时钟(晶振)电路、无线收发电路、键盘接口电路、PCF8591硬件电路、串口通信电路、液晶显示电路。以下为主要的电路设计。

2．1无线收发电路

2．1．1发射数据通道

NＲF2401无线收发模块接口连接采用标准双列直插式，方便与处理器系统硬件连接。在其内部，定义标准通信协议，为保证数据有效传送，数据包中定义了CＲC校验，通过SPI串行通信接口进行数据的写入或有效读出。NＲF2401无线收发模块通过内部寄存器配置不同的访问频道和数据传送功率。

通过设置内部寄存器ＲXADDＲ设置数据传送频道，通常可设置为频道0和频道1用来进行数据传送。本次设计采用数据通道1。通过设置ADDＲ－PX寄存器来定义数据通道使用地址，一般不同的数据通道要使用不同的数据地址进行数据传送。

数据通道0有40位可配置地址。数据通道1～5的地址通常设置为32bit地址信息+独立的的地址信息。地址宽度最大可定义为40bit，但是低5位的数据通道最低位不同。

NＲF2401所有的配置都在寄存器中。所有寄存器的配置都是采用SPI串行通信协议接口进行设置定义的，其有效数据传送速率可达10Mb。NＲF2401使用单片机的P0端口进行数据的有效接收或发送。

2．1．2接收数据通道

在接收模式设置中，NＲF2401最大可接收6路通道数据，这6路通道数据可使用同一频道信息，可以有不同的地址信息。最大可设置为6路数据无线发送、1路数据无线接收的数据传送系统。

2．1．3SPI总线接口设计

SPI(SerialPeripheralInterface)串行数据传送是一种串行通信协议接口，SPI接口设备之间可进行数据发送，SPI接口信号由CS、EN、SCK、MISO和MOSI组成。当CS片选信号有效时，在SPI－SCK时钟同步下，当使能信号EN高电平状态下，进行数据有效传送。初始化完成后，即开始发送传送数据。图3为接口示意图。

2．2键盘接口电路

在本文设计的系统硬件电路中，键盘设计采用独立按键方式，电路原理见图4。按键模拟外部数据输入系统，按下key1键，信号通过传输、处理、接收，最后显示LED1灯亮。同理，按下key2键，LED2亮;按下key3键，LED3亮;按下key4键，LED4亮。K1、K2、K3、K4分别接STC90C516ＲDP1．4、P1．5、P1．6、P1．7管脚。

2．3PCF8591硬件电路

本系统采用的AD模数转换器芯片定义的模式转换方式为逐次逼近法，通过使用芯片内部的比较放大电路和数模转换电路，可使采样信号稳定输出。当该模数转换芯片接收到读数据命令后，即启动一次新的数据转换。AD模数转换器的数据产生发生在时钟脉冲信号的下降沿，在进行前一次数据采集转换结果时进行。

当AD转换器开始进行数据采集时，该芯片的所有输入信号都被同时采样，并将各个采样值转换成8bit数值，保存到芯片内部寄存器中。如果输入模拟量为差分输入信号，则采样值被转换成8bit补码数据，并进行缓存。采样转换后的二进制数值存储在芯片内部寄存器中，待接收到发送命令后开始发送输出。通过设置自动增量标志位即可选择传输通过，执行读操作时，读出的一个字节数据通常包含前一次读的数据值。当系统执行复位操作时，读取的第一个信息为0x80。PCF8591外围电路见图5。

2．4串口通信模块设计

ＲS－232采用两根数据线发送接收数据，一根用于数据发送，另一根用于设计接收，由于主设备和从设备之间数据传输没有时钟信号，所以为使从设备正确接收数据，从设备接收数据速率与主设备发送数据速率必须保持一致。主设备和从设备使用前，需进行串口初始化操作，设置参数主要有传输波特率、数据位数、校验位等，主设备和从设备的参数设置需保持一致。ＲS232串行送数据中容易受到外部环境的干扰，其数据传送距离受到限制，ＲS－485基于差分数据方式进行数据发送接收，其传送距离一般较远，可应用于工业自动化的远程数据传送设计中。

ＲS－232总线物理接口有9芯和25芯接口插座，其中为便于设备连接，物理接口大多情况下使用9芯接口插座，少数情况下使用25芯接口插座。其基本数据线包括地线、数据发送线和数据接收线。另外还有数据终端准备、数据请求发送、数据准备完毕和清除发送等信号。

由于PC机ＲS232接口电平为12V，而单片机ＲX和TX串行口电平为5V，如果将单片机串行口和PC机串行口之间相连，由于电压不匹配，将会烧坏芯片，所以需要使用ＲS232电平转换芯片进行电平转换，电平转换原理见图6。电平转换芯片3管脚ＲXD接STC90C516ＲD芯片P3．0管脚，电平转换芯片4管脚TXD接STC90C516ＲD芯片P3．1管脚。

2．5液晶显示模块设计

该显示模块主要实现接收数据的有效显示。1602是一款通用的字符液晶模块，能显示数字和字符等信息，具有价格便宜、控制容易等特点。而LED7段数码显示管，虽然也有成本低、显示控制容易等特点，但是不能显示字符。基于上述描述，综合各因素考虑，该系统设计选用了LCD1602液晶显示模块电路。由于液晶使用插件连接，所以此次设计液晶部分端口连接是固定的。图7为系统设计选用的液晶显示模块与STC90C516ＲD芯片连接的原理图。

3系统软件设计

3．1系统主程序设计

系统主程序首先完成发送端NＲF24L01模块初始化、LCD1602显示模块初始化、接收端NＲF24L01模块初始化、LCD1602显示模块初始化、ＲS232串口发送初始化操作，然后发送模块中单片机从AD模块中读取数字信息并进行转换，转换后的数据一路发送到发送端LCD1602显示模块实时显示，另一路发送到NＲF24L01无线模块进行发送;接收端通过NＲF24L01无线模块开始接收数据，并将接收到的数据发送到单片机处理器，单片机将接收到的数据一路在LCD1602液晶显示屏上显示，另一路通过ＲS232串口发送到PC，在PC机上保存数据。系统程序设计流程见图8。

3．2无线发射模块设计

无线发送模块首先进行初始化操作，主要实现对NＲF24L01端口定义、SPI配置寄存器设置以及其他IO管脚定义。初始化完成后，将NＲF24L01片选信号

CE置为低电平，使能无效，配置寄存器模式为发送模式，接着设置发送端地址信息，并写入接收地址，然后将要发送数据写入到发送缓存，打开数据传输通道0，设置数据发送工作频率，设置数据传输速率及功耗，然后将芯片使能信号CE置高电平，有效状态，延时一段时间后，进行数据发送，数据发送完成后再将使能信号CE置低电平。该模块程序设计流程见图9。

3．3无线接收模块设计

无线接收数据时，首先完成对NＲF2401的初始化相关操作，将其设置为数据接收功能，其程序流程见图10。初始化完成后，将CE芯片使能信号置为低电平无效状态，配置CONFIG寄存器，写入接收地址参数，打开接收通道1，设置工作接收频率，设计接收数据宽度及个数，设置发送数据功率计传输速率，然后将芯片使能信号CE设置为高电平，接收中断信号，如果接收到中断信号，进行中断触发，开始接收数据，从接收缓存中读取无线接收到的数据，数据读取结束后，重新进行配置，进行下一次接收处理。

4硬件电路调试及实验结构

数据采集发送系统验证硬件平台，该系统主要由51单片机开发板、AD模块、LCD1602显示模块、NＲF24L01无线模块组成。发射端在接通电源的情况下会立即完成对LCD1602以及NＲF24L01模块的初始化，AD转换模块输出数字信号到单片机，单片机对接收数字进行转换，并将转换后的数据在LCD1602液晶显示屏上实时显示，同时将接收的数据发送到NＲF24L01无线模块，NＲF24L01模块将接收数据无线发送。无线数据接收系统验证硬件平台主要由51单片机开发板、LCD1602显示模块、NＲF24L01无线模块、ＲS232串口发送模块等组成。接通电源后，首先完成对NＲF24L01以及串口ＲS232模块的初始化，然后NＲF24L01无线模块开始接收数据，并将接收数据发送到单片机处理器，单片机将接收到的数据发送到LCD1602液晶显示屏显示，同时通过ＲS232接口将接收到的数据发送到PC机。

5结语

综上所述，本文设计的无线数据采集系统能够实现数据的稳定采集发送，此外，该系统具有低成本、结构简单、使用灵活、功能易扩展的优点。以单片机为核心控制器的设备产品已广泛应用到人们工作生活中，促进了传统电子产品的技术升级与设备更新改造。因此，采用单片机处理器实现模拟数据的实时采集控制器设计，很大程度上提高了生活实验中对模拟数字信号的采集与控制水平。

参考文献：

[1]何颖.基于nRF24L01的无线气象数据采集系统设计[J].微型电脑应用,2023,39(09):30-32+41.

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