隨著科技的發展進步，互聯網技術的高速發展，人們對無線通信質量的需求不斷提高。老一代無線傳輸技術以無法滿足現今需求。于是新一代無線傳輸孕育而生；2.4G無線傳輸技術就是其中之一。

　　所謂的2.4G無線傳輸技術，其頻段處于2.405GHz-2.485GHz（科學、醫藥、農業）之間。所以簡稱為2.4G無線技術。這個頻段里是國際規定的免費頻段，是不需要向國際相關組織繳納任何費用的。這就為2.4G無線技術可發展性提供了必要的有利條件。而且2.4G無線技術不同于之前的27MHz無線技術，它的工作方式是全雙工模式傳輸，在抗干擾性能上要比27MHz有著絕對的優勢。這個優勢決定了它的超強抗干擾性以及最大可達10米的傳輸距離。此外2.4G無線技術還擁有理論上2M的數據傳輸速率，比藍牙的1M理論傳輸速率提高了一倍。這就為以后的應用層提高了可靠的保障。綜合2.4G、藍牙以及27MHz這三種常用的無線傳輸技術，2.4G有著自己獨到的優勢所在。相比藍牙它的產品制造成本更低，提供的數據傳輸速率更高。相比同樣免費的27MHz無線技術它的抗干擾性、最大傳輸距離以及功耗都遠遠超出。

　　實現方案及硬件選型

　　系統實現方案

　　系統的目的是在單片機的控制下實現數據的無線傳輸 ，硬件電路結構如圖 1 所示

　　該系統主要以單片機為控制處理核心 ，由它完成對數據的采集處理以及控制數據的無線傳輸 ;電源電路提供系統所需各種電壓 ;復位電路提供單片機所需的復位信號 ;晶振電路提供單片機的時鐘信號 ;指示電路用來指示無線傳輸模塊的工作狀態 ;鍵盤電路用來發送各種類型的指令和數據 ;顯示電路用來顯示系統接收到的指令和數據。

　　硬件選型

　　設計采用低成本、性能好的 NORDIC 公司生產的 nRF24L01 芯片來完成。nRF24L01 是單片射頻收發芯片 ，工作在全球開放的 2. 4 GHz 頻段 ，有多達125 個頻道可供選擇 ;可通過 SPI 寫入數據 ，并且有自動應答和自動再發射功能 ;芯片功耗非常低 ，以- 6 dBm的功率發射時 ，工作電流只有 9 mA ，接收時工作電流只有 12. 3 mA ;多種低功率工作模式使節能設計更方便 ，并且市場上有不少以它為核心的模塊 ，便于購買。PTR6000 就是以 nRF24L01 為核心的無線收發模塊 ，它可以通過軟件設定地址 ，同時設置6 路接收通道地址 ，特別方便點對多點無線通信。其內部全面的寄存器配置 ，能夠更全面地對無線數據傳輸的細節進行控制。所以本次的無線數傳模塊選用了 PTR6000 ，它的硬件接口如圖 2 所示。

　　在待機或掉電模式下 ，單片機通過 SPI 接口配置 PTR6000 的工作參數 ;在發射/ 接收模式下 ，單片機通過 SPI 接口發送和接收數據 ;中斷輸出接口IRQAM可提供如下 3 種中斷輸出 ：發送完成中斷TX DR、接收完成中斷 RX DR、最大發送次數到MAX RT。

　　由于 PTR6000 的工作電壓為 1. 9～3. 6 V ，AVR系列單片機也工作在低電壓 ，并且具有 SPI 接口 ，正好滿足了這一點要求 ;考慮到顯示部分使用串行方式 ，所使用的 I/ O 口不是很多 ，ATmega8L 足以滿足要求 ，為了降低設計成本 ，控制芯片選擇 ATmega8L。

　　硬件電路設計

　　電源、復位和晶振電路設計

　　為了縮短開發周期 ，設計中由交流 220 V 轉直流 12 V 的部分由市場上的電源模塊來代替。雖然ATmega8L 可工作在 2. 7～5. 5 V 寬電壓 ，但是由于PTR6000 工作在 1. 9～3. 6 V ，超出這個電壓范圍就有被燒壞的可能 ，因此在用三端穩壓管 7805 將 12 V轉換為 5 V 后 ，還要用 1117 將 5 V 的直流電轉換到3.3 V ，這樣 PTR6000 和 Atmega8L 都能正常工作。此外 ，為了適應移動測試的需要 ，設計的電路上還配備了電池槽 ，以便用 2 節干電池為系統提供 3 V 直流電壓。

　　設計采用簡單的阻容復位電路 ，由于 ATmega8L是低電平復位 ，電源經 1 K電阻和 22μF 電解電容接地 ， 復 位 線 從 電 阻 和 電 容 之 間 引 出 ， 接 到ATmega8L 的復位引腳。

　　為了獲得較高的振蕩頻率 ，設計采用了外接8 MHz晶體振蕩器。由于 AVR 單片機獨特的熔絲位設置 ，很容易造成單片機的鎖死現象 ，因此在設置有關時鐘的相關位時要格外小心。當然 ，即便是鎖死了一般情況下還是可以通過外接有源晶振來解鎖 ，并重新燒寫正確的熔絲位。

　　鍵盤和顯示電路設計

　　設計的鍵盤采用 3 ×3 的矩陣式鍵盤 ，3 條行線接到 ATmega8L 的 PC3、PC4、PC5 ，3 條列線分別接到PC0、PC1、PC2 ，并且 3 條列線帶有上拉電阻。在每個上拉電阻的下面引出一條線 ，接到三輸入與門74HC11 的輸入口 ，然后輸出口接到單片機的外中斷1 引腳 ，這樣設置的目的是用中斷的方法來進行鍵盤的掃描讀取。這一功能的實現主要還依靠軟件的設計 ，使得在有按鍵按下時 ，能夠通過 74HC11 產生一個中斷信號 ，通知單片機現在有鍵按下。然后單片機會進入預先編寫好的鍵盤處理程序進行鍵盤掃描 ，判斷鍵值 ，并執行相應的操作。

　　顯示電路使用 2 個 8 段數碼管 ，通過串轉并的動態顯示來實現 ，并且通過 2 個 I/ O 口控制 2 個三極管來分別進行驅動和控制。用 SPI 口進行顯示數據的串行輸出是一個比較方便的方法 ，但是考慮到PTR6000 通過單片機 SPI 口接收數據 ，有與顯示沖突的可能。因此 ，設計時利用了 PD1、PD4 兩個普通的 I/ O 口來分別作為數據線和時鐘線 ，模擬時序來實現數據的串轉并顯示。

　　軟件設計

　　主程序設計

　　設計采用的是匯編語言 ，內存不能自動分配 ，在主程序的開始 ，首先對 ATmega8L 的堆棧指針進行設置。在 I/ O 空間 ，地址為 3E （ 005E） 和 3D（ 005D）的 2 個 8 位寄存器構成了一個 16 位寬的堆棧指針寄存器 SP ，單片機上電復位后 ，堆棧寄存器的初始值為 SPH = 00、SPL = 00。AVR 的堆棧是向下生長的 ，即新數據推入堆棧時 ，堆棧指針的數值將減小。所以系統程序一開始就對堆棧指針寄存器進行了初始化 ， 將 SP 的 值 設 在 數 據 存 儲 器（SRAM） 空間的最高處。設置堆棧指針后的程序中 ，對各 I/ O 口的存儲器進行配置 ，包括數據寄存器PORTx、數據方向寄存器 DDRx 。

　　隨后的初始化設置中 ，對外中斷的觸發方式進行相應的設置。最初設計采用的是低電平觸發方式 ，但是由于低電平容易造成重復觸發 ，造成鍵值讀取錯誤 ，因此在后續的程序設計中將其改成了下跳沿觸發 ，這樣只要鍵盤消抖工作做好 ，就能解決重復觸發的問題。

　　在點對點和點對多點的短距離通信中 ，每一方隨時 都 有 發 送 數 據 的 可 能 ， 所 以 在 主 程 序 的PTR6000 初始化部分中設置為接收方式 ，并對其相關地址通道進行了開通和自動應答設置 ，并配置了其地址的的長度且按指定長度對地址進行了配置。在主程序中還設置了 PTR6000 的中斷允許標志位 ，當有數據接收中斷、發送完成中斷、最大發送次數中斷產生時 ，在 PTR6000 的 IRQ 引腳產生一個低電平 ，觸發單片機外中斷 0 ，進行相應的處理。

　　鍵盤程序設計

　　由硬件電路設計可知 ，鍵盤程序是放在中斷服務程序中的 ，而且是下降沿觸發中斷 ，這一點有關的I/ O 口設置和寄存器有關位設置在主程序中完成 ，在此不再作具體說明。在外中斷 1 服務程序的開始 ，首先對鍵盤延時消抖 ，判斷是否真的有鍵按下 ，如果判斷確實有鍵按下則向下執行鍵值判斷程序 ，否則 ，判定為錯誤中斷 ，中斷返回。

　　該部分鍵盤判斷程序是通過線反轉法完成的 ，首先 3 行送高電平 ，3 列送低電平 ，延時一個時鐘周期后 ，讀取管腳電平（PINC） ，并且對讀取的數據進行保存 ;然后 3 列送高電平 ，3 行送低電平 ，延時一個時鐘周期后 ，讀取管腳電平（PINC） ，并且對讀取的數據進行保存。然后兩次讀到的數據只保留低 6 位 ，高位全部清零 ，因為鍵盤只用到了低 6 位。然后再把 2 個鍵進行位或 ，得到一個數值 ，通過對這個數值的判斷來判定是哪一個鍵按下了。

　　顯示程序設計

　　顯示程序設計總的思想是首先串行傳送轉換后的十位顯示數碼 ，然后選通十位 ，再進行適當延時后關閉。再串行傳送轉換后的個位顯示數碼 ，然后選通個位 ，進行適當延時后關閉。

　　具體串行顯示是這樣實現的 ：首先把要顯示碼寄存器進行帶進位移位 ，然后判斷進位標志位 C 來向串行數據輸出口送 0 或 1 ，進行適當延時后 ，向串行時鐘口送低電平 ，適當延時后送高電平 ，目的是產生一個上跳沿 ， 把串行數據口的電平狀態移入74HC164。這樣連續傳送 8 次 ，就將 8 位顯示碼送出。

　　PTR6000 通信程序設計

　　由于與 RF 協議相關的高速信號處理部分已經嵌入在模塊內部 ，PTR6000 可與各種低成本單片機配合使用 ，也可以與 DSP 等高速處理器配合使用。此系統中 PTR6000 可以進行半雙工通信 ，所有通信基點都初始化為接收模式 ，等待命令。當收到數據后 ，進行相應的操作。并且同樣可以進行數據的發送 ，在數據發送完成后又立即轉換成接收狀態 ，等待再次有數據的到來。PTR6000 有 6 種工作模式如表 1所示 ，其中 PWR UP 和 PRIM RX 是模塊寄存器參數。

　　接收程序設計

　　接收程序編寫流程主要是在初始化的過程中 ，把本機設置成接收狀態 ，這部分主要是在主程序的初始化配置的過程中完成的。具體的程序流程如下：

　　①設置 PTR6000 的配置寄存器 ，把 PTR6000 配置成允許數據接收完成中斷、數據發送完成中斷和最大發送次數到中斷 3 個中斷 ，當有以上 3 種中斷中的任何一個產生時 PTR6000 的 IRQAM 引腳都產生一個低電平 ;

　　②給 EN RXADDR 接收地址允許寄存器送數01 只開通數據通道 0 ;并且通過給 EN AA 送數01 允許數據通道 0 自動應答允許 ;

　　③通過對 SETUP AW 配置 ，設置地址的長度為 3 個字節 ;并且在對數據通道 0 的地址寄存器RX ADDR P0 的 配 置 過 程 中 把 地 址 配 置 為000000 ，在 隨 后 的 設 置 中 把 數 據 速 率 設 置 為2 Mbps;

　　④對接收緩沖寄存器清空 ，確保其能進入接收狀態。最后 CE 送高電平 ，進入接收狀態。

　　發送程序設計

　　當有鍵按下時就要啟動相應的發送程序 ，發送子程序是在外中斷 0 中被調用的。具體的程序流程如下 ：

　　①PTR6000 的發送緩沖寄存器進行清空操作 ;

　　②程序中接收結點地址 （RX ADDR） 、最大發送次數（ARC） 和有效數據 （TX PLD） 通過 SPI 接口寫入 PTR6000 ，在寫入過程中對 SPI 中斷標志位進行監測 ，如果數據傳送沒有完成保持 CSN 為低 ;

　　③配置寄存器 PRIM RX 位設為低 ，把標志寄存器 r1 和數據寄存器 r19 的數據不斷寫入 PTR6000的發送緩沖寄存器 ;

　　④設置 CE 為高 ，啟動發射。CE 高電平持續時間最小為 10μs。若啟用了自動應答模式 ，模塊立即進入接收模式。

　　PTR6000 中斷服務程序設計

　　PTR6000 的 3 種類型的中斷都是通過 INT0 觸發的 ，所以在程序的開始要對中斷的具體來源進行判斷。PTR6000 中有一個狀態寄存器 （STATUS） ，其中包括 3 種中斷的標志位。在中斷服務程序的開始首先向 PTR6000 發送一個空操作指令 ，此時返回單片機 SPI 數據寄存器 SPDR 的數據就是當前狀態寄存器的數值。接下來對其 3 個中斷標志位進行判斷 ，判斷是接收完成中斷、發送完成中斷還是最大發送次數到中斷 ，然后跳轉到相應的服務程序部分。

　　實驗仿真

　　基于以上設計方案 ，對系統進行了實驗仿真。在搭建相關硬件平臺的基礎上 ，通過對相關軟件程序的調試 ，系統很好地實現了點對點的無線通信 ，實驗證實 ，基于 nRF24L01 的 2. 4 GHz 無線通信系統解決方案 ，可以實現小于 10 m 的短距離通信。此外還在 2 臺計算機之間進行了不同格式、不同大小的文件的傳輸實驗 ，其傳輸速率約為 512 kB/ S，具體結果

　　如表 2 所示。通過提高單片機的晶振還可以加快文件的傳輸速度 ，最快可以達到 2 Mb/ s。

　　2. 4 GHz 無線通信是一項新興的短距離無線通信解決方案 ，主要面向的應用領域是低速率無線個人區域網 ，典型特征是近距離、低功耗、低成本 ，主要適用于小型廉價設備的無線聯網和控制。該文提出一種基于 2. 4 GHz 無線收發芯片 nRF24L01 的短距離無線數據傳輸系統設計方法 ，在實際應用時將系統作為一個模塊可方便地移植 ，以便構建更為復雜的無線通信網絡 ，可應用于無線抄表、工業數據采集系統、安全防火系統以及水文氣象監控等領域 ，具有很高的實用價值。