畢業(yè)設(shè)計(jì)之基于NRF24L01的IMU數(shù)據(jù)無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、設(shè) 計(jì) 題 目目：基于NRF244L01的IIMU數(shù)據(jù)無無線傳輸系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì) 2011年年 1月 18日畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)計(jì) 開 題 報(bào) 告1結(jié)合畢業(yè)設(shè)設(shè)計(jì)情況，根根據(jù)所查閱的的文獻(xiàn)資料，撰撰寫20000字左右的文文獻(xiàn)綜述：文 獻(xiàn) 綜 述述1.1數(shù)據(jù)無線線傳輸系統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)的研究背背景數(shù)據(jù)是指用來描描述客觀事物物的數(shù)字、字字母、符號(hào)等等等1，隨著科技技的進(jìn)步，人人類社會(huì)已經(jīng)經(jīng)進(jìn)入了數(shù)字字化信息化的的時(shí)代，因而而數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡馁|(zhì)量和速度度都提出了更更高的要求。針對(duì)目前信息化的的狀況，原有有的有線傳輸輸系統(tǒng)雖完成成了數(shù)字化與與網(wǎng)絡(luò)化，但但復(fù)雜的布線線、高昂的維維護(hù)成本使的的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的的分布范圍受受到了很大的的

2、限制，這在在很大程度上上阻礙了數(shù)據(jù)據(jù)傳輸信息化化的深入與普普及。因此，對(duì)對(duì)于無線數(shù)據(jù)據(jù)傳輸?shù)男枨笄笕找嫫惹小?無線數(shù)據(jù)傳輸就就是指利用無無線電波作為為數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡拿浇?，將本本地?jì)算機(jī)或或其他設(shè)備的的數(shù)據(jù)信息調(diào)調(diào)制到載波頻頻率上發(fā)射，從從而和遠(yuǎn)程終終端之間實(shí)現(xiàn)現(xiàn)通訊的技術(shù)術(shù)6。它涉及到到計(jì)算機(jī)技術(shù)術(shù)、信息技術(shù)術(shù)、以及網(wǎng)絡(luò)絡(luò)技術(shù)等多個(gè)個(gè)學(xué)科領(lǐng)域。通通過無線傳輸輸系統(tǒng)，人們們可以獲取遠(yuǎn)遠(yuǎn)端設(shè)備的運(yùn)運(yùn)行情況以及及各種參數(shù)指指標(biāo)，通過對(duì)對(duì)采集到的數(shù)數(shù)據(jù)的分析從而實(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管理理、遠(yuǎn)程控制制等功能。近十幾年來，隨隨著移動(dòng)通信信技術(shù)飛速發(fā)發(fā)展，越來越越多的信息采采集和遠(yuǎn)程控控制系統(tǒng)采用用了無線數(shù)據(jù)據(jù)傳送技術(shù)

3、。與與有線數(shù)據(jù)傳輸相比，無線數(shù)數(shù)據(jù)傳輸布線線成本低、安安裝簡(jiǎn)便、便便于移動(dòng)的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，使其在在遙控遙測(cè)、門門禁系統(tǒng)、無無線抄表、小小區(qū)傳呼、工工業(yè)數(shù)據(jù)采集集、無線遙控控系統(tǒng)、無線線鼠標(biāo)等領(lǐng)域域都得到了廣廣泛的應(yīng)用，而而且它在高科科技領(lǐng)域的應(yīng)應(yīng)用也正在迅猛發(fā)發(fā)展，比如衛(wèi)衛(wèi)星、導(dǎo)彈、無無人偵察機(jī)等等的數(shù)據(jù)采集集，遙控機(jī)器器人等的控制制，以及一些些監(jiān)控設(shè)備等等。此外，在現(xiàn)代軍軍事通訊領(lǐng)域域方面，無線線傳輸技術(shù)也也有重要的戰(zhàn)戰(zhàn)略地位。在在未來高科技技戰(zhàn)斗中，由于軍軍事衛(wèi)星通訊訊手段在未來來戰(zhàn)爭(zhēng)中容易易被摧毀且難難以緊急恢復(fù)復(fù)，所以人們可可以利用無線線短波、超短短波等方式實(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)是無無線傳輸，因因而取得

4、戰(zhàn)爭(zhēng)爭(zhēng)中的主動(dòng)權(quán)權(quán)8。民用用方面，在一一些線路架設(shè)設(shè)比較困難的的地方，或者者有天然的阻阻隔的地理?xiàng)l條件較復(fù)雜較較惡劣的地方方數(shù)據(jù)的無線線傳輸便顯示示出了巨大威威力。無線傳傳輸還便于通通訊設(shè)備移動(dòng)動(dòng)，具有明顯顯的靈活性。1.2數(shù)據(jù)無線線傳輸?shù)陌l(fā)展展現(xiàn)狀及前景景進(jìn)入二十一世紀(jì)紀(jì)，無線數(shù)據(jù)據(jù)通訊技術(shù)在在我國(guó)蓬勃發(fā)發(fā)展，也得到到了信息產(chǎn)業(yè)業(yè)部以及各行行各業(yè)的高度度重視，因?yàn)闉槿魏斡芯€數(shù)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)絡(luò)只能是網(wǎng)狀狀覆蓋，而無無線數(shù)據(jù)傳輸輸網(wǎng)可達(dá)到真真正的面覆蓋。目前前主要的短距距離無線數(shù)據(jù)據(jù)傳輸技術(shù)主主要有藍(lán)牙、ZZigbeee、IEEEE802.111x、微功功率短距離無無線通訊技術(shù)術(shù)10，與已具備備相

5、當(dāng)規(guī)模的的無線長(zhǎng)距離離通訊網(wǎng)絡(luò)（比比如蜂窩移動(dòng)動(dòng)通訊網(wǎng)、衛(wèi)衛(wèi)星數(shù)據(jù)通訊訊）相比，短短距離無線通通訊系統(tǒng)在基基本結(jié)構(gòu)、服服務(wù)范圍、應(yīng)應(yīng)用層次以及及通訊業(yè)務(wù)（數(shù)數(shù)據(jù)、話音）上上，均有很大大不同。下面面分別介紹這這幾種無線傳傳輸技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)（Blluetoooth）主要要面對(duì)網(wǎng)絡(luò)中中的各種數(shù)據(jù)據(jù)和語言設(shè)備備，通過無線線方式將它們們連接起來，從從而方便快速速的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)據(jù)傳輸，它使使用2.4GGHZ的ISSM頻段，最最大傳輸率11Mbit/s ；IEEEE8022.11x的的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是是無線局域網(wǎng)網(wǎng)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)，也是用22.4GHZZ的ISM頻頻段，協(xié)議主主要在OSII的物理層和和數(shù)據(jù)鏈路層層，雖然傳

6、輸輸速度快，但但此類設(shè)備比比較昂貴，技技術(shù)復(fù)雜；ZZigbeee是一種新型型的短距離、低低速度、低功功耗無線網(wǎng)絡(luò)絡(luò)技術(shù)，是一一種介于無線線標(biāo)記技術(shù)和和藍(lán)牙之間的的技術(shù)，基于于IEEE無無線個(gè)人區(qū)域域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率率通常為100kb/s到到250kbb/s，有效效覆蓋范圍110到75米米，由于其協(xié)協(xié)議簡(jiǎn)單、成成本低、網(wǎng)絡(luò)絡(luò)容量大等優(yōu)優(yōu)點(diǎn)，使其在在無線傳感網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中得到廣廣泛的應(yīng)用。在未來，短距離離無線數(shù)據(jù)傳傳輸將向著更更高傳輸速率率、更高傳輸輸精確度的方向發(fā)發(fā)展，而且傳傳輸設(shè)備的成成本也會(huì)進(jìn)一一步降低，傳傳輸協(xié)議也會(huì)會(huì)進(jìn)一步簡(jiǎn)單單，從而是短短距離無線通通訊走入我們們的生活，給給我?guī)砀喽?/p>

7、方便。1.3本課題研研究的意義 本次次課題研究的的內(nèi)容是通過過C80511F020單單片機(jī)控制無無線數(shù)據(jù)傳輸輸芯片NRFF24L011，以此來實(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無無線傳輸，無無論是在國(guó)防防軍事方面，還還是民用通訊訊方面都有很很重要的研究究意義。 慣性性測(cè)試單元（IIMU）具有有的特點(diǎn)是實(shí)實(shí)時(shí)性，因?yàn)闉榱闫珪?huì)隨著著時(shí)間的變化化而變化，必必須隨時(shí)進(jìn)行行跟蹤 。當(dāng)當(dāng)系統(tǒng)裝入彈彈體后，必須須通過無線數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送模塊塊將系統(tǒng)實(shí)時(shí)時(shí)的零偏、標(biāo)標(biāo)度因數(shù)等參參數(shù)隨時(shí)發(fā)送送到地面，這這樣可以得到到實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)解算，得到到解算的參數(shù)數(shù)，從而可以以對(duì)導(dǎo)彈的飛飛行姿態(tài)等各各種參數(shù)進(jìn)行行實(shí)時(shí)的調(diào)整整。所以，本本課題

8、通過單單片機(jī)控制，將將IMU采集集到的數(shù)據(jù)實(shí)實(shí)現(xiàn)短距離的的無線傳輸，在在測(cè)試領(lǐng)域具具有重要的意意義。 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 開 題題 報(bào) 告2本課題要研研究或解決的的問題和擬采采用的研究手手段（途徑）：2.1本課題研研究的問題 學(xué)習(xí)CC8051FF020單片機(jī)機(jī)工作原理，用C語言編寫單片機(jī)程序，控制單片機(jī)采集IMU的輸出，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，傳輸給無線射頻模發(fā)射塊（NRF24L01無線傳輸芯片）。用同樣的原理設(shè)計(jì)無線接收模塊，將無線發(fā)射的數(shù)據(jù)接收，并通過串口傳送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。2.2方案介紹紹2.2.1方案案的整體設(shè)計(jì)計(jì)思路通過單片機(jī)(CC8051FF020)將將IMU單元元輸出的六路路模擬數(shù)據(jù)采采

9、集，再利用用單片機(jī)內(nèi)部部的AD轉(zhuǎn)換換部分將模擬擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成成數(shù)字信號(hào)，然然后通過SPPI總線將數(shù)數(shù)據(jù)傳輸給無無線發(fā)送芯片片(NRF224L01) ,無線發(fā)送送芯片將數(shù)據(jù)據(jù)發(fā)送出去。同同樣，接收端端單片機(jī)(CC8051FF020)通通過SPI總總線控制接收收端芯片，將將無線傳輸過過來的數(shù)據(jù)接接收，并將數(shù)數(shù)據(jù)傳送給上上位機(jī)，從而而實(shí)現(xiàn)了對(duì)IIMU數(shù)據(jù)的的采集、轉(zhuǎn)換換、無線傳輸輸、以及存儲(chǔ)儲(chǔ)。 系統(tǒng)整整體流程圖如如圖1所示： 圖1. 整整體設(shè)計(jì)流程程圖2.2.2 數(shù)據(jù)采集模模塊單片機(jī)C80551F0200內(nèi)部有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換所需要的的ADC和DDAC，其中中ADC有兩兩個(gè)，一個(gè)是是9通道12位位分辨

10、率的逐逐次逼近寄存存器型ADCC，另一個(gè)是是8通道8位位分辨率的逐逐次逼近寄存存器型ADCC，轉(zhuǎn)換方式式、速率等都都可通過程序序設(shè)置。從IMU采集到到的6路傳感感器數(shù)據(jù)是模模擬信號(hào)，通通過端口Aiin0 Ain7被被采集到單片片機(jī)內(nèi)部，通通過內(nèi)部的AAD轉(zhuǎn)換電路路將模擬信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)換成8位位精確度的數(shù)數(shù)字信號(hào)，并并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)儲(chǔ)到數(shù)據(jù)字寄寄存器中，等等待進(jìn)一步將將其傳送到無無線數(shù)據(jù)發(fā)送送芯片內(nèi)部。 2.2.3數(shù)據(jù)據(jù)傳送輸模塊塊單片機(jī)C80551F0200有三個(gè)串行行口，其中SSMbus是是兼容于I22C串行擴(kuò)展展總線，還有有SPI串行行擴(kuò)展接口，以以及兩個(gè)增強(qiáng)強(qiáng)型UARTT串口，它們們可同時(shí)與外外界

11、進(jìn)行串行行數(shù)據(jù)的傳輸輸。本次課題題研究采用是是的是SPII串行外設(shè)接接口，它是一一個(gè)4線（MMOSI、MMISO、SSCK、NSSS）、全雙雙工串行總線線，支持在同同一總線上將將多個(gè)從器件件連接到一個(gè)個(gè)主器件上，可以通過程序設(shè)計(jì)工作方式。通過編寫程序，將轉(zhuǎn)換完成的數(shù)字信號(hào)通過SPI串行外設(shè)接口傳送到無線數(shù)據(jù)發(fā)送芯片NRF24L01中。2.2.4數(shù)據(jù)據(jù)發(fā)送模塊 無線射射頻芯片NRRF24L001工作于22.4GHZZ的ISM頻頻段，具有高高達(dá)2Mbpps的傳輸速速度，內(nèi)置CCRC校驗(yàn)和和出錯(cuò)重傳機(jī)機(jī)制，在2MMbps的速速度下，接收收電流僅為112.3mAA ，發(fā)送電電流僅為111.3mA ，功

12、耗很低低。發(fā)送端單片機(jī)CC8051FF020可以以通過編寫語言程序?qū)?duì)無線射頻芯芯片NRF224L01的的參數(shù)進(jìn)行設(shè)設(shè)置，將其設(shè)設(shè)置為發(fā)送模模式，然后等等待外部中斷斷的輸入，當(dāng)當(dāng)中斷輸入，則則控制芯片將將數(shù)據(jù)發(fā)射接接收模式，如如果在有效應(yīng)應(yīng)答時(shí)間內(nèi)收收到應(yīng)答信號(hào)號(hào)，則認(rèn)為數(shù)數(shù)據(jù)成功發(fā)送送到接收端，如如果沒收到則則重新發(fā)送數(shù)數(shù)據(jù)，若自動(dòng)動(dòng)重發(fā)計(jì)數(shù)器器ARC_RRT溢出，則IRQ引引腳產(chǎn)生中斷斷，通過寫狀狀態(tài)寄存器來來復(fù)位。若收收到應(yīng)答信號(hào)號(hào)，則認(rèn)為數(shù)數(shù)據(jù)成功發(fā)送送到接收端，則則繼續(xù)發(fā)送TTX FIFFO寄存器中中的下一包數(shù)數(shù)據(jù)。2.2.5數(shù)據(jù)據(jù)接收模塊接收端單片機(jī)CC8051FF020可以以通過

13、輸入語言程序?qū)?duì)無線射頻芯芯片NRF224L01的的參數(shù)就行設(shè)設(shè)置，設(shè)為接接收模式以接接受檢驗(yàn)信號(hào)號(hào)。接收到檢檢驗(yàn)信號(hào)后，NNRF24LL01的自動(dòng)動(dòng)應(yīng)答功能會(huì)會(huì)發(fā)送應(yīng)答信信號(hào)給發(fā)送端端已確認(rèn)收到到信號(hào)，接著著NRF244L01通過過IRQ 中中斷通知接收收端單片機(jī)，單單片機(jī)進(jìn)行數(shù)數(shù)據(jù)接收并將將其傳送給上上位機(jī)。接收端的單片機(jī)機(jī)在接收到中中斷的同時(shí)，要要同發(fā)射端芯芯片進(jìn)行時(shí)間間上的協(xié)同，以以此來保證發(fā)發(fā)送和接收的的配合。最后后清除NRFF24L011的狀態(tài)寄存存器，再次為為下一次數(shù)據(jù)據(jù)的接收做好好準(zhǔn)備。2.3 軟件設(shè)設(shè)計(jì)模塊2.3.1發(fā)射射部分程序設(shè)設(shè)計(jì)先編寫初始化程程序，設(shè)置單單片機(jī)的初始始狀態(tài)，再寫寫AD轉(zhuǎn)換程程序，將模擬擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為為數(shù)字信號(hào)。然然后，編寫時(shí)時(shí)序，從寄存存器中讀出數(shù)數(shù)據(jù)，發(fā)送