基于MSP430的无线通信系统设计Word格式.docx

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复位电路设计10

时钟电路11

无线模块电路11

nRF24L01芯片简介11

nRF24L01无线模块电路15

NETUSB2401无线模块介绍15

单片机操纵模块16

MSP430的简介16

MSP430的功能特性17

MSP430内部ADC12模块18

MSP430内部AD12介绍18

ADC12接地和噪声的考虑22

MSP430内部DMA模块23

4软件设计27

5总结32

附录一：

整体电路图34

附录二：

系统程序35

参考文献49

致谢51

1引言

课题的背景与来源

无线通信是利用电磁波信号能够在自由空间中传播的特性进行信息互换的一种通信方式，，标志通信技术的进展进入了无线领域的新时期。

为了能够区分不同的信号，通常以信号的频率来做标志，因此在无线通信技术中频率是超级重要的资源。

世界各国都有相关的无线电治理部门来负责治理本国的无线频率资源，建设利用无线通信的网络都需要通过这些部门的审批，并购买必然范围频率资源的利用权才能够开始运营。

惟有如此，才能保证各类利用无线信号的行业之间可不能相互冲突，各自在规定的频率范围内工作。

另外在通信中常常需要传输的信号本身是低频率的信号，但为了能够依照频率的划分来区分各类信号，需要对信号进行调制，把低频信号通过必然的调制信号附着在特定的频率上再发送到空间中，以幸免造成信号间的无序干扰[1]。

近些年信息通信领域中，进展最快、应用最广的确实是无线通信技术。

自从MSP430单片机问世以来，就以其体积小、功耗低、操纵功能强、扩展灵活、微型化和利用方便等优势，普遍的在智能仪器仪表、工业操纵、家用电器、运算机网络、通信领域、和医用设备等领域都取得了应用。

在仪器仪表领域，结合不同的传感器，可实现诸如电压、频率、温度、流量、速度、压力、角度等物理量的测量。

采纳单片机操纵使得一路仪表的数字化、智能化、微型化，且功能比起采用数字或电子电路加倍壮大。

例如周密的测量设备功率计、示波器和分析仪[2]。

单片机也能够组成形式多样的操纵系统、数据搜集系统。

如工厂流水线的智能化治理、电梯智能化操纵、各类报警系统，还能够与运算机联网组成二级操纵系统等。

现在家用电器上大体都有采纳单片机操纵，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调、彩电、其他音箱视频器材、再到电子天平设备，可谓五花八门，无所不在[3]。

此刻的单片机普遍具有通信接口，能够很方便的与运算机进行数据通信，为在运算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，此刻的通信设备上都大体实现了单片机的智能操纵，从电话、机、小型程控互换机、楼宇自动通信呼唤系统、列车无线通信、再到日常工作中随时可见的移动、集群移动通信、无线对讲机等[4]。

单片机在医疗设备中的用途亦然很普遍，例如医用呼吸机，各类智能分析仪，监护仪，超声诊断设备和病床无线呼唤系统等。

关于单片机的应用可谓是一种趋势，而且这种趋势将加倍烈火，将渗透到各个领域，方方面面。

通过关于通信技术的学习，和简单的编程语言学习，作为一名具有必然基础知识的大学生，应该在此基础上学会关于单片机的大体应用，达到所学所用的目的。

本课题是基于MSP430的无线通信系统设计，课题响应了时期的要求，有重要的现实意义。

由于在数据搜集环境中，干扰严峻，环境复杂，有线通信由于布线不合理与电磁干扰等因素的阻碍，关于数据的正确传输受到了专门大的限制，致使误码率低，信号失真严峻。

为了知足那个方面的不足，如何应用解决本实际要求，开发一款无线传输系统，可关于这些信号进行实时的、低误码率的传输知足要求十分必要。

基于本方面的应用要求，应用MSP430单片机进行操纵与NRF24L01无线传输能够实现此目的[1,4]。

无穷传输的优势

1．本钱廉价

有线通信方式的成立必需架设电缆，或挖掘电缆沟，因此需要大量的人力和物力；

而用无线数传电台成立专用无线数据传输方式那么无需架设电缆或挖掘电缆沟，只需要在每一个终端连接无线数传电台和架设适当高度的天线就能够够了。

相较之下用无线数传模块成立专用无线数据传输方式，节省了人力物力，投资是相当节省的。

固然在一些近距离的数据通信系统中，无线的通信方式并非比有线的方式本钱低，可是有时候实际的现场环境难以布线，客户依照现场环境的需要仍是会选用无线的方式来实现通信。

2．建设工程周期短　　当要把相距数公里到数十公里距离的远程站点相互连接通讯的时候，采用有线的方式，必须架设长距离的电缆或者挖掘漫长的电缆沟，这个工程周期可能就需要数个月的时间，而用数传模块建立专用无线数据传输的方式，只需要架设适当高度的天线，工程周期只需要几天或者几周就可以，相比之下，无线的方式可以迅速组建起通信链路，工程周期大大缩短。

3．适应性好

有线通信的局限性太大，在碰到一些特殊的应用环境，比如碰到山地、湖泊、林区等特殊的地理环境或是移动物体等布线比较困难的应用环境的时候，将对有线网络的布线工程有着极强的制约力，而用无线数传模块成立专用无线数据传输方式将不受这些限制，因此说用无线数传模块成立专用无线数据传输方式将比有线通信有更好的更普遍的适应性，几乎不受地理环境限制。

4．扩展性好

在用户组建好一个通信网络以后，常常因为系统的需要增加新的设备。

若是采纳有线的方式，需要从头的布线，施工比较麻烦，而且还有可能破坏原先的通信线路，可是若是采纳无线数传电台成立专用无线数据传输方式，只需将新增设备与无线数传电台相连接就能够够实现系统的扩充了，相较之下有更好的扩展性。

5．设备保护上更易实现　　有线通讯链路的维护需沿线路检查，出现故障时，一般很难及时找出故障点，而采用无线数传模块建立专用无线数据传输方式只需维护数传模块，出现故障时则能快速找出原因，恢复线路正常运行[3]。

课题的意义

由于测试环境的恶劣，一些测量物体的运动，有线数据传输的布线困扰，一套系统能知足这些测试要求，适合于关于复杂测试环境的数据搜集传输，显得十分必要。

尽管动态的压力数据搜集能够通过数据搜集卡实现，但是数据搜集卡开发本钱较高，数据的搜集也往往受限于某位置，静止被测物体运动，这在必然程度上为测试带来了不便，专门是针关于某些运到参数的测量，如行走、运到等，被测对象因限于测量设备电源线、数据传输的长度无法展开运到。

目前，无线通信技术进展日趋成熟，采纳无线通信实现数据的传输具有本钱低廉、适应性好、扩展性好和开发周期短等特点，针关于一些运到物体某些参数的测量不便，和复杂的测试环境现场布线会产生较高的误码率，本文提出了一种以MSP430为核心，配以NRF24L01无线模块传输数据，既能够实现对被测信号的高速搜集，又能够准确靠得住地将数据传递给运算机进行处置。

能够实现关于一些在必然范围内运动的物体进行参数测量，从而省去了布线带来的麻烦，还提高了传输效率。

课题的设计内容及优势

系统的要紧功能：

对搜集的信号通过适配电路转换后，在符合MSP430单片机的接口许诺范围内时输出单片机，用内置的ADC12进行模拟信号与数字信号的转换，单片机通过SPI传输协议将处置后的信号发送给NRF24L01，在NRF24L01再将此信号通过无线发送到NETUSB-24L01，NETUSB-24L01无线模块自带有操纵接收的外围电路和USB接口，可与运算机直接相连，对信号进行实时分析处置，从而了解被测参数。

本课题的优势：

采纳无线通信，免去了有线传输中的高额布线本钱和复杂的抗干扰方案设计，而且能够测量运动物体的参量，其应用灵活。

在需要的情形下能够加入CD4501作为多路开关，实此刻于数据的多路搜集，拓展性强。

由于采纳的MSP430单片机，其以低功耗，体积小，功能模块强而突出，使得本通信系统低功耗，减小了关于电源的本钱，更多的模块功能使得关于系统的升级应用提供了专门大的方便。

MSP430单片机是高度集成芯片，采纳集成芯片设计后，关于电路的保护，检修带来了专门大的方便。

2系统整体方案设计

系统概述

本系统模块要紧由上位机硬件电路和下位机硬件电路组成。

其要紧功能是完成对搜集数据的传输。

上位机硬件电路由运算机应用软件、NETUSB-24L01无线模块组成。

NETUSB-24L01无线模块自带有操纵接收的外围电路和USB接口，可与运算机直接相连。

其利用简单、易与把握。

下位机硬件电路选择MSP430FG4618作为核心的操纵芯片，要紧功能是完成模拟信号的搜集、接收上位机发送的无线通信命令，并能够将A/D转换后的数字量用DMA传送给FLASH进行存储，通过SPI模式传递给nRF24L01，数据暂存至TX_FIFO中。

SPI串口速度在通信协议和器件配置时已确信[6～10]。

系统框图如下：

MSP430FG4618

nRF24L01

NETUSB2401L

信号

适配电路

A/D

DMAAA

计算机

串口

USB接口

天线

图系统框图

整体电路图

整体电路图要紧包括NRF24L01无线模块和MSP430操纵模块。

MSP430摸块电路图设计相对而言比较复杂，其中电源治理电路、时钟电路和复位电路，也要考虑到高频收发电路布线的注意事项，这是主控电路的重点与难点。

其中复位电路模块采纳MAX708芯片，电源模块采纳LP2985将5V的电眼转换为MSP430需要的电压，输出电压也比较稳固，纹波少。

时钟选择芯片SG350SCF，作为MSP430的主系统是时钟，频率为8M。

主控芯片那么选择内部资源丰硕，低功耗、体积小的MSP430单片机。

无线模块选用NRF24L01无线收发芯片，其配置比较简单。

整体电路如下：

图整体电路图

3硬件电路设计

要紧由电源治理模块，复位电路模块，时钟模块，AD转换模块，无线模块，DMA模块等组成。

电源治理电路

.1电路设计

因为MSP430FG4618单片机工作电压为直流，且底层电路功耗很小。

电源的设计的好坏决定了电压输出的稳固性，从而决定单片机是不是能稳固工作。

本电源的设计采纳LP2985将5V的电压转换为，此芯片低噪声低压差。

为了降低干扰，采纳了小电容与地连接[11]。

具体电路如图3-3：

图电压变换模块电路图

.2LP2985芯片简介

芯片优势:

该芯片有能力提供150mA持续负载电流，有过酷爱惜。

有低漏失，低静态电流，该稳压器许诺利用小，价钱低廉的陶瓷电容，降低设计本钱。

另外还具有低噪声，小包装的优势。

结构框图如下:

图LP2985结构框图

复位电路

3.2.1MAX708芯片简介

概述：

MAX708是一种微处置器电源监控芯片，可同时输出高电平有效和低电平有效的复位信号。

复位信号可由VCC电压、手动复位输入、或由独立的比较器触发。

独立的比较器可用于监视第二个电源信号，为处置器提供电压跌落的预警功能。

这一功能是为器件发出复位信号前的正常关机、向操作者发送警报、或电源切换而考虑的。

MAX708提供3种域值电平可供选择。

性能：

•RESET信号/RESET信号输出

•域值值为用于电源失效或低电源警告的独立比较器

•手动复位输入

•需要100uA的电源电流

•复位域值为V

•在VCC=1V时能提供有效的RESET信号

应用：

•电池供给的器件

•微处置器临界状态监控

•操纵器

•便携式工具

芯片引脚图：

图MAX708引脚图

MAX708是电压监测芯片，当输入电压低于某个值是，708产生复位信号。

MAX708的引脚利用说明：

MAX708 

VCC-------电源

GND------地

RS---------复位输出（高电平的复位信号），即输出高电平的复位信号

MAX708/RS--------复位输出（低电平的复位信号），即输出低电平的复位信号

/MR-------手动复位（manualreset）。

当这一端的电压低于时，RS端和/RS端有信号产生

PF1--------电压失败输入端。

当这一端电平低于时，/PF0变成低电平。

当这一脚不历时，将它接地或接VCC

/PF0-------电压失败输出端。

一样悬空不用

NC------没连接

原理框图：

图MXX708原理框图

.2复位电路设计

电路由MXA708复位芯片、电阻、PNP三极管、按键、发光二级管组成。

当按键按下时，/MR引脚为的低电平，在/RESET引脚产生信号，输送给体统，使单片机复位。

按键的同时发光二极管发光，提示系统复位[12]。

图复位电路

时钟电路

时钟电路采纳集成的四脚8M晶体振荡器SG350SCF-8M，作为单片机MSP430的主系统时钟,该电路设计比较简单，连接方便[13]。

电路设计图如下:

图时钟电路

无线模块电路

与单片机相连接的无线模块采纳nRF24L01芯片，与电脑相连的选择NETUSB-2401芯片，NETUSB-24L01无线模块自带有操纵接收的外围电路和USB接口，可与运算机直接相连。

无线传输技术有无线传输蓝牙技术（BluetoothTechnology），ZigBee（IEEE），IrDA，（Infrared）红外技术，Wi-Fi（IEEE：

WirelessFidelity，UWB（Ultra-Wideband）,nRF2401L射频收发芯片。

其中IrDA（Infrared）红别传输波长短，对障碍物的衍射能差；

Wi-Fi覆盖范围很广，可达100m,可是其电波易受干扰；

UVB技术目前只有在美国官方承认；

ZigBee技术和蓝牙接近，但大多时候处于睡眠模式，适合于不需实时传输或持续更新的场合；

nRF24L01单片射频收发芯片，GHz频段，采纳GFSK调制时的数据速度为高速度8Mbps，高于蓝牙，具有高数据吞吐量,程序开发简单。

考虑到实时搜集数据,选择nRF24L01芯片作为无线传输芯片[14,15]。

.1nRF24L01芯片简介

nRF24L01是一款工作在~世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。

无线收发器包括:

频率发生器、增强型SchockBurstTM模式操纵器、功率放大器晶体振荡器、调制器、解调器。

输出功率、频道选择和协议的设置能够通过SPI接口进行设置。

极低的电流消耗：

当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为，接收模式时为，掉电模式和待机模式下电流消耗更低。

结构方框图:

图nRF4L01及外部接口

nRF24L01芯片引脚图:

图nRF24L01芯片引脚图

nRF24L01引脚及功能

图nRF24L01引脚及功能说明

工作模式：

nRF24L01能够设置为以下几种要紧的模式

图nRF24L01要紧工作模式

nRF24L01在不同模式下的引脚功能：

图nRF24L01引脚功能

nRF24L01所有的配置都在配置寄放器中，所有寄放器都是通过SPI口进行配置的。

SPI接口：

SPI接口是标准的SPI接口，其最大的数据传输率为10Mbps。

大多数寄放器可读。

SPI指令设置：

CSN为低后SPI接口等待执行指令，每条指令的执行都必需通过一次CSN由高到低的转变。

中断：

nRF24L01的终端引脚（IRQ）为低电平触发，当状态寄放器TX-DX，RX-DR或MAX-RT为高时触发中断。

当MCU给中断源写1时，中断引脚被禁止。

可屏蔽中断能够被IRQ中断屏蔽。

通过设置可屏蔽中断位为高，那么中断响应被禁止。

默许状态所有的中断源是被禁止的。

SPI时序：

Sn-状态寄放器位；

Dn-数据位。

图SPI读操作时序图

图SPI写操作时序图

图SPINOP操作时序图

.2nRF24L01无线模块电路

本模块由于设计要紧共能是与单片机MSP340进行数据传输，并将收到的数据通过无线将数据传输到NETUSB2401，NETUSB2401同过USB与运算机相连。

所用引脚如图，其他采纳悬空处置[16]。

图nRF24L01无线模块电路

.3NETUSB2401无线模块介绍

NetUSB-2401为USB接口无线通信模块，采纳全世界开放频段免许可证利用，外形小巧（USB大小），最大传输数率达2Mbps，适用于室内通过电脑无线遥控，无线数据搜集等。

性能及特点：

（1）全世界开放频段免许可证利用

（2）最高工作速度2Mbps，高效GFSK调制，适合短距离无线控

（3）125频道，知足多点通信和跳频通信需要

（4）内置硬件CRC检错和点对多点通信地址操纵

（5）低功耗～工作，Powerdown模式下状态仅为1uA

（6）可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示）

（7）提供二次开发包，提供实例源代码，无需把握USB驱动和USB协议和无线通信协议，只需要通过软件编程来操纵无线收发

（8）室内通信距离约为15~30米，看具体环境和通信速度而定

（9）模块尺寸:

U盘大小（能够依照需要定制外观和尺寸）

图NETUSB2401实物图片

单片机操纵模块

.1MSP430的简介

MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始向市场推出的一种超低功耗拥有精简指令集（RISC）处置器的混合信号（MixedSignalProcessor）。

由于它针对实际的应用需求，将多个不同的模拟电路、数字电路模块和微处置器集成在一个芯片上，因此称之为混合信号处置器。

该系列单片机多用于需要电池供电的便携式仪器仪表中[2]。

.2MSP430的功能特性

低电源电压范围：

至

超低功耗：

主动模式:

400微安在1MHz，时

待机模式：

微安

关闭模式（RAM维持）：

有五种省电模式，在不到6微妙就从待机模式下唤醒

16位RISC构架，扩展内存，125ns指令周期时刻

三通道内部DMA

12位A/D转换器具有内部参考，采样维持和自动扫描功能

16位3路Timer-A比较寄放器

16位7路Timer-B比较寄放器

电源电压监控器可编程电平检测

串行通信接口（USART1）,能够通过软件选择同步USRT或同步SPI

通用串行通信接口：

增强型USRT支持自动波特率检测

IrDA编程器和解码器

同步SPI

I2C总线标志

MSP430引脚图:

图MSP430引脚散布图

MSP430内部ADC12模块

3.6.1MSP430内部AD12介绍

这个ADC12模块支持快速12位模数转换。

那个模块包括12位的内核、内部参考和16位的转换操纵缓冲寄放器，那个转换操纵缓冲许诺16通道的信号独立转换不受CPU的干与[2]。

ADC12特点包括:

□大于200ksps最大转化率

□12位转换器没有失踪的代码

□采样与可编程，采样周期用软件或计时器操纵。

□转换启动的软件,Timer_A,或Timer_B

□软件可选片上参考电压一代V或V）

□软件可选的内部或外部引用

□八个单独配置外部输入通道（12个MSP430FG43x和MSP430FG461x设备）

□转换频道为内部温度传感器,AVCC,和外部引用

□独立channel-selectable参考来源为正和负引用

□选择转换时钟源,重复单次转换、顺序及重复序列

ADC12的功能模块；

1.参考电压发生器；

AD都需要一个基准信号，通常为电压基准。

ADC12内置参考电源，而且参考电压有6种可编程选择，别离为VR+与VR-的组合。

其中VR+有：

AVCC（模拟电源正端）

VREF+（A/D转换器内部参考电源的输出正端）

VeREF+（外部参考电源的正输入端）

VR-有：

AVSS（电源负端）

VREF-或VeREF-（A/D转换器内部或外部参考电源负端）

2