基於MSP430和nRF905的多點無線通訊模塊

    本文介紹的無線通訊模塊，採用通用的低功耗單片機MSP430作為主晶元，nRF905作為無線收發模塊，利用SPI口實現雙向通訊，SPI支持高速數據傳輸，從而滿足了射頻帶寬的要求。nRF905提供了強大的跳頻機制以及大量的頻道支持，可以用在許多特殊的場合，而且即使利用無增益的PCB天線其傳輸距離也可達200m，如果需要更遠距離的傳輸，也可以改成帶增益的天線，傳輸距離即可擴大到1千米以上，可滿足不同客戶的需求。

1 系統硬體實現
    無線通訊模塊的實現框圖如圖1所示，除了MSP430和nRF905外，系統還留有MAX232介面可以實現與PC的機通訊，MAX485介面滿足一些通用儀器儀錶的要求，並提供了按鍵和液晶等人機交互界面。
 

2 驅動實現
2.1 MSP430的SPI驅動
    MSP430用標準SPI口和nRF905進行通訊，標準介面包括兩根數據線：MOSI(主發從收)和MISO(從發主收)，還有時鐘線CLK，主機用CLK與從機時鐘同步。
    如圖2所示，SPI可以理解成雙工方式，因為在發送數據的同時也可以接受數據。SPI分成主模式和從模式，從模式完全被動，數據的發送和接受都由主機掌握。實際上參與工作的都有四個寄存器，主機將數據寫入發送緩存UTXBUF，數據并行存入發送移位寄存器。數據一旦寫入UTXBUF，立即從MOSI線移位到從機的接受移位緩存，而從機移位緩存中的數據又將其發送移位寄存器中數據，通過MISO移位到主機的接受移位寄存器，再并行讀入接受緩存中。所以利用SPI同時進行讀寫操作。
 
圖2 430 SPI示意圖
2.2 nRF905的驅動
    nRF905共有32個引腳，其中有10個引腳尤其需要我們注意：和主MCU通訊的SPI介面的四個引腳，數據線MOSI、MISO，時鐘線SCK、使能線，其中CSN可以接到一個IO口控制晶元工作，而其它三個腳則接到主MCU的SPI介面上；主MCU的控制線有三個引腳，控制低功耗的PWRUP，控制正常工作的TX_EN，選擇發送還是接受方式的TRX_CE，這幾個引腳都接到主MCU的通用IO口；nRF905的反饋線有三根，檢測到頻道正被使用的CD(carrier detected)，通知接受地址正確的AM(addreSS matched)，告訴MCU數據接受正確的DR(data received)，這幾個引腳需要接到主MCU的中斷引腳上，當接收數據正確時以中斷方式通知主MCU。
    nRF905與MSP430介面如圖3所示，其中MOSI、MISO、SCK分別與主機SPI口對應，CSN、TRX_CE、PWR_UP、TX_EN接通用IO口，而CD、AM、DR接中斷口，430的P2口都是復用的中斷口，這樣收到數據可以用中斷及時通知430。
 
圖3 硬體介面
2.2.1 寄存器操作
(1)寄存器介紹
    對nRF905操作主要是對其寄存器進行操作，主要有四個寄存器，即配置寄存器、發送地址寄存器、發送數據寄存器和接受數據寄存器，每次發送數據時將對方地址寫入發送地址寄存器中，將不超過32 byte的數據寫入發送數據寄存器即可 而各節點地址在配置寄存器設置，接受的數據則自動放入接受數據寄存器中。
(2)操作寄存器
    nRF905控制信號線CSN的下降沿使能寄存器，如果希望對某個寄存器進行操作的時候，首先需要將CSN引腳置低。905提供了特殊的命令字來支持對寄存器的操作，比如寫配置寄存器的命令字為(WC)0000 XXXX，讀配置寄存器的命令字為(RC)0001XXXX，其中XXXX為起始地址。當操作某個寄存器時，先寫入該寄存器的命令字，即可對其操作。
2.2.2 設置頻道和頻段
    nRF905最吸引人的一個特點就是提供跳頻支持，以及擁有大量的頻道可使用。nRF905可以在433/868/915頻段進行通訊，其實868和915屬於同一頻段，即主要分兩大頻段，而每一頻段又有2⁹個頻道可以使用，但實際上針對不同的天線，只有一個頻段可以讓晶元發揮最好的功能，所以一種天線有2⁹頻道使用。當在某個頻道上遇到干擾時，可以跳頻來繼續通訊，確保數據完整性。配置寄存器提供了CH_NO和HFREQ_PLL來設置頻道，公式為：
f=(422.4+(CH_NO/10))×(1+HFREQ_PLL)MHZ
    nRF905提供了一個專門的命令字來支持快速跳頻，這樣在通訊過程中可以迅速實現跳頻，從而在不影響通訊速度的情況下，完成通訊。
2.2.3 發送數據流程
     設置好配置寄存器后，就可以發送數據了.我們先給出具體的時序圖，再解釋具體流程。
時序圖如下：
 
圖4發送時序圖
①主MCU將PWR_UP置高，使905進入工作模式，再將TX_EN置高進入發送數據模式。
②將發送地址通過SPI口寫入發送地址寄存器TX_ADDRESS，再將數據寫入發送數據寄存器TX_PAYLOAD，SPI口的速度由主MCU設置。
③主MCU置高TRX_CE，905自動將數據幀格式補齊，加入包頭Preamble，並根據寄存器設置計算CRC校驗填人包尾，然後905將整個數據以100 bit/s的速度，採用曼徹斯特編碼，以GFSK形式發送出去，發送完畢，DR會置高，通知主MCU可以繼續下次發送。
④如果配置成自動重發模式，nRF905會自動重發，直到TRX_CE置低。
⑤發送完后可以將TRX CE置低，這樣就進入standby模式，實際操作時可以直接將TRX_CE產生脈衝，持續時間不少於10us，就可以發送完數據。
  發送數據流程圖如圖5所示：
 
圖5發送數據流程圖
2.2.4接受數據流程
    下面我們討論如何接受數據，同樣先給出時序圖如圖6，再解釋流程。
 
①主MCU將TX_EN置高、TRX_CE置低，過650 us后，則進入接受模式。
②nRF905監控頻道使用狀況，如果發現頻道被佔用，則將CD置高，可以利用該特性採取一些衝突避免檢測機制，發送數據前如果檢測到CD信號，則可以隨機延遲一段時間再發送數據，該特性可以有效地避免數據衝突。
③當接收到的數據發送地址和自己地址匹配時，則AM置高，通知該數據是發給自己的。
④對數據的CRC進行校驗，如果正確，則去除包頭和CRC段，將數據保存在接受數據寄存器RX_PAYLOAD，同時DR信號置高，通知主MCU讀取數據。
⑤主MCU將TRX_CE置低，進入standby(省電)模式再通過SPI口將數據讀出來，當數據都讀完后，nRF905將AM和DR重新置低，為下次接受數據做準備。
接受數據流程圖如圖7所示。
 
圖7接受數據流程圖
    如果需要將驅動移植到其它平台如ARM上，只要將介面重新定義，SPI讀寫函數做相應的調整，移植起來非常簡單。

3 MAC演算法實現
    既然nRF9O5提供了這麼多頻道和跳頻機制，如何充分利用這些特性，使通訊更加穩定呢?下面實現的是基於Ad Hoc網路的MAC協議。
3.1 MAC協議框架
    如圖8所示，頻道被分成兩類，控制頻道和數據頻道。而數據頻道又被分成若干組，每組均有一個主數據頻道和兩個備用數據頻道。正常通訊的時候，採用主數據頻道，如果誤碼率高達一定程度，可以跳至備用數據頻道繼續通訊。
 
圖8 協議架構
    通常，各節點在控制頻道處於接受狀態，採用廣播地址。Ad Hoc網路中各節點均以自己為中心，故各節點均維護著自己的“控制頻道狀態表”BroadStatus和“頻道列表”Hoplist，兩者分別記錄了控制頻道和數據頻道的使用狀況。結構分別如下所示：
struct
{
    控制頻道使用標誌broad;
    控制頻道使用時間broadtime;
}BroadStatus;
struct
{
頻道列表hoplist;
頻道使用時間hoptime[n];
頻道佔用地址hopaddress[n][2];
}Hoplist
3.2 控制頻道
    控制頻道用於各節點交換路由信息、握手信息等。由於握手信息和路由信息相對大塊的數據信息而言很小，所以各節點佔用控制頻道的時間相對較少，這在很大程度上避免了控制頻道上的數據衝突。但是由於控制頻道為所有節點所共用，必須採用衝突避免協議，本文採用了IEE802.11b的CSMA/CA機制，即每次發送數據都要等到頻道空閑，再用“二進位指數退避演算法 隨機延時一段時間，當延時時間到再發送數據，這樣就有效地避免了同頻道下的數據衝突。同時考慮到隱藏節點、暴露節點等問題，我們採用了RTS/CTS/BROAD機制，如果節點A需要
發送數據到節點B，則先發送RTS並攜帶自己的數據頻道列表信息，節點B收到RTS后，對比自己的頻道列表選擇一個共用的空閑頻道返回RTS，並跳人該頻道等待數據的到來。節點A收到CTS后再攜帶使用頻道信息發送BROAD，然後跳入數據頻道開始與節點B進行數據通訊。而其他節點收到CTS、BROAD后及時登記頻道列表信息，方便下次數據傳輸時直接查詢，該信息會隨著系統晶振不斷更新，這樣各節點所維護的頻道都是當前頻道使用的狀況。
3.3 數據頻道
    與共用的控制頻道不同，當雙方節點都處於數據頻道時相當於建立了專用通道，此時不用採取CSMA/CA機制，我們採用確認機制、重發機制和跳頻機制來確保數據準確無誤的傳輸。通訊流程基本採用DATA+ACK形式，即發送完DATA等待ACK，接受到DATA則發送ACK確認。如果
ACK不正確或沒收到ACK則重發，如果該頻道不能使用則進行跳頻。跳頻需要雙方協調進行，具有一定的複雜性，這裡具體解釋一下跳頻機制。
    圖9為發送端跳頻示意圖，當發送端受干擾，即發送端可以發送數據，但接受不到數據，當誤碼率高達上限時，發送端發送CHG並攜帶將跳至的頻道值hop，然後跳人備用數據頻道hop中，再發送CHECK，等待握手信息。而接受端收到CHG后，從中提取出hop信息，再跳至該hop，當接受到CHECK時，再發送驗證信息CHECK。自此，收發雙方握手完畢，接著在新的頻道中繼續通訊。
 
    圖10為接受端跳頻示意圖，當接受端受干擾或者收發雙方都收到干擾，這時接受端收不到來自發送方的控制信息CHG，只能完全依靠誤碼率信息，此時同步尤為重要。由於雙方誤碼率同時增加，當依次達到上限時，可以依次跳人備用頻道繼續通訊。由於存在重發和延時機制，雙方並不需要同時跳入備用頻道，系統具有一定的容錯性。每個數據頻道組有兩個備用頻道，如果三個頻道都不能使用，則此次通訊就失敗了。但是通常一定時間內干擾只在某個頻段存在，只要將三個數據頻道拉開一段頻距，即可有效地抵制干擾。
 

4 總結
    文中無線多點收發模塊在MSP430和nRF905的基礎上，實現了物理層驅動和基於Ad Hoc網路的MAC層協議，但沒有提供網路層路由協議。物理層點對點通訊確保了數據傳輸的可靠性。MAC協議確保同時傳輸數據時避免衝突。在測試中，我們網路層採用魚眼演算法，用15個節點動態組網並互傳信息，在該體制下信息可以同時發送相互之間沒有干擾。該模塊可以很好的運用在一些抄表系統、遙控系統、以及機器人控制中。