任璐1，李文石2，錢敏1,2
(1. 蘇州大學(xué) 文正學(xué)院 電子信息工程系，江蘇 蘇州 215104；2. 蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院 微電子工程系，江蘇 蘇州 215006）
摘要：無線記分系統(tǒng)的設(shè)計分為發(fā)送端和接收端兩部分。發(fā)送端控制程序通過RS232串口通信發(fā)送比分?jǐn)?shù)據(jù)到單片機(jī)控制的下位機(jī)，并經(jīng)由nRF24L01無線射頻模塊天線進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送；接收端通過單片機(jī)控制的無線射頻模塊天線接收數(shù)據(jù)并使用8段LED數(shù)碼管顯示記分情況。系統(tǒng)的整體設(shè)計包括硬件電路、軟件程序設(shè)計；發(fā)送端上位機(jī)界面程序采用VB6.0設(shè)計，發(fā)送端下位機(jī)和接收端單片機(jī)程序采用C51。給出了軟件設(shè)計流程圖、硬件實物運行現(xiàn)場圖。測試表明，系統(tǒng)運行性能良好。
關(guān)鍵詞：無線計分系統(tǒng)；單片機(jī)控制；nRF24L01
中圖分類號：TP274.2；TN925文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.04.020
引用格式：任璐，李文石，錢敏.基于nRF24L01的無線電子記分系統(tǒng)設(shè)計［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（4）：66-69.
0引言
體育比賽深受人們喜愛，比賽記分是比賽過程中的重要部分。大型比賽采用昂貴的大型電子記分系統(tǒng)，然而大部分中小型球賽依舊采用傳統(tǒng)人工翻牌的記分模式。針對以上問題，本文設(shè)計了一款輕巧的便攜型式電子無線遙控記分系統(tǒng)，成本相對低廉［1］。該系統(tǒng)采用Nordic公司的nRF24L01無線通信收發(fā)芯片和STC公司的STC89C52RC單片機(jī)。系統(tǒng)的硬件電路簡單，電路制作費用低［23］。經(jīng)過多次實驗測試，系統(tǒng)的工作性能穩(wěn)定，效果良好，可以廣泛運用于中小型球類比賽。
1系統(tǒng)總體方案
該無線遙控記分系統(tǒng)由發(fā)送端、接收端兩部分組成。發(fā)送端由上、下位機(jī)兩部分組成。下位機(jī)由觸摸按鍵、LED顯示數(shù)碼管、nRF24L01射頻發(fā)送模塊和MCU核心處理單元構(gòu)成；上位機(jī)采用PC，通過普通9針RS232串口與下位機(jī)通信。接收端由nRF24L01射頻接收模塊、MCU核心處理單元、LED顯示數(shù)碼管組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
發(fā)送端下位機(jī)硬件系統(tǒng)包括：主控制單元、射頻收發(fā)模塊、晶振電路、復(fù)位電路、顯示單元、串口通信單元（包括電平轉(zhuǎn)換模塊）、電源模塊等。接收端包括：主控制單元、射頻收發(fā)模塊、晶振電路、復(fù)位電路、顯示單元、電源模塊等，整體電路原理如圖2所示。下面介紹主要部分電路的設(shè)計。
2.1核心處理單元
核心處理單元采用STC公司生產(chǎn)的低功耗、高性能、超強(qiáng)抗干擾的微控制器STC89C52RC。其基于CMOS工藝，攜有8 KB在系統(tǒng)可編程Flash存儲器，與80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容，能為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活度、非常有效的解決方案。
STC89C52RC單片機(jī)內(nèi)部資源豐富，系統(tǒng)設(shè)計過程中充分利用這一特性，將其作為主控芯片，沒有增加過多外設(shè)。單片機(jī)的I/O端口具體資源利用情況如下：P1口及中斷與nRF24L01射頻收發(fā)模塊相連接，控制信息的發(fā)送/接收；P0口與數(shù)碼管的段選線連接，控制顯示的字段；P2端口與數(shù)碼管的位選線相連接，控制顯示數(shù)字的位；P3.0口（Rxd）與MAX232芯片的T2 OUT引腳相連；P3.1口（Txd）與MAX232芯片的T2 IN引腳相連接。P3.0和P3.1兩端口作為PC和單片機(jī)之間的串行通信口，負(fù)責(zé)兩機(jī)之間信息傳輸?shù)臉蛄?。軟件部分是單片機(jī)對nRF24L01讀/寫控制使之讀出當(dāng)前的比分值，并實現(xiàn)與PC的通信。
PC的串口是RS-232電平，單片機(jī)的串口是TTL電平，為了使其能夠進(jìn)行通信，使用集成芯片MAX 232進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
2.2射頻模塊
nRF24L01是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4~2.5 GHz ISM頻段。低功耗工作電壓為1.9~3.6 V。工作溫度范圍較大，可在-40℃～+80℃內(nèi)正常工作。nRF24L01配外置天線，無阻擋傳輸距離50~100 m，配PCB內(nèi)置天線，無阻擋傳輸距離20~50 m。該芯片有125個通信通道，滿足多點通信和調(diào)頻需要。無線收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型Shock BurstTM模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過 SPI 接口進(jìn)行實現(xiàn)?？罩袛?shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)2 Mb/s，有自動應(yīng)答和自動再發(fā)射功能。通過對相應(yīng)寄存器的寫入和讀出來完成對芯片的控制，如實現(xiàn)nRF24L01相應(yīng)寄存器的初始化、識別處理數(shù)據(jù)的收發(fā)情況并確保在數(shù)據(jù)傳輸中不發(fā)生數(shù)據(jù)丟包現(xiàn)象等。其結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示?！?/p>
PCB布線的好壞對射頻性能有很大影響，一個差的PCB板設(shè)計可能導(dǎo)致丟包，甚至可能導(dǎo)致不能實現(xiàn)其應(yīng)有的功能。nRF24L01的射頻PCB板設(shè)計及其周邊元件包括匹配網(wǎng)絡(luò)等可以從Nordic下載。
使用至少兩層板（包括一個地層）。nRF24L01 的直流供電電源應(yīng)盡可能靠近芯片的VDD引腳，并且經(jīng)高質(zhì)量的RF電容去耦。最好用一個大電容 （比如4.7 μF鉭電容）并聯(lián)一個小電容。nRF24L01的供電電源必須經(jīng)過很好的濾波，并且與數(shù)字供電電源分離。
PCB板避免使用長的電源走線，所有元器件的地、VDD及去耦電容應(yīng)盡可能地靠近nRF24L01芯片。如果在PCB 板的頂層有鋪銅“地”，VSS應(yīng)直接與鋪銅面連接。如果在PCB板的底層有鋪銅“地”，則應(yīng)該在離VSS腳盡可能近的地方放置過孔連接。每個VSS最少應(yīng)有一個過孔。所有數(shù)字信號線和控制信號線都不能離晶振和電源線太近。
2.3四位LED數(shù)碼管顯示
顯示部分是一個四位8段LED數(shù)碼管。8段數(shù)碼管由多個發(fā)光二極管封裝在一起組成“8”字形，引線在元件內(nèi)部已連接完成，只引出各個筆段和公共電極。其工作環(huán)境范圍寬泛，可達(dá)-40℃~+75℃；壽命長，正常情況下可超過80 000小時。數(shù)碼管外殼采用阻燃PC塑料制作，強(qiáng)度高、抗沖擊、抗老化、防紫外線、防塵、防潮。
8段數(shù)碼管可以通過專用驅(qū)動芯片控制，適合各種復(fù)雜工程需求。為了點亮數(shù)碼管，可以選擇靜態(tài)驅(qū)動方式或者動態(tài)驅(qū)動方式。
在本系統(tǒng)中，數(shù)碼管采用動態(tài)驅(qū)動方式。該方式中，四位數(shù)碼管的段選線相應(yīng)地并聯(lián)在一起，由一個8位I/O端口控制，形成了段選線的多路復(fù)用。而位選線分別由相應(yīng)的I/O線控制，實現(xiàn)了各位的分時選通。
2.4觸摸按鍵
本設(shè)計中發(fā)送端下位機(jī)上設(shè)置了幾個按鈕作為直接計分?jǐn)?shù)據(jù)發(fā)送開關(guān)，用于測試和手持式控制，此時不需要上位機(jī)。因為本系統(tǒng)中所需按鍵數(shù)較少，故采用彈性小按鍵作為觸摸按鍵，直接用I/O端口線構(gòu)成單個按鍵電路，接口電路配置靈活、軟件結(jié)構(gòu)簡單。按鍵輸入采用低電平有效工作模式。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1發(fā)送端下位機(jī)/接收端C51軟件設(shè)計
發(fā)送端下位機(jī)/接收端C51程序設(shè)計包含三部分：微控制器的初始化、對nRF24L01的訪問和對四位8段數(shù)碼管的控制。
根據(jù)系統(tǒng)的硬件設(shè)計，需要對nRF24L01模塊和數(shù)碼管顯示模塊進(jìn)行硬件資源的配置和定義，如圖4所示。
nRF24L01的模式是由PWR_UP、CE和PRIM_RX三個引腳定義的，根據(jù)系統(tǒng)的需要來配置其工作狀態(tài)。在配置時，需要分別根據(jù)這三個引腳的不同狀態(tài)配置不同模式。這里僅僅列出了部分硬件資源的配置情況，更詳細(xì)的資料參看芯片手冊。
#define RT_MODEPWR_UP=1; PRIM_RX=0; CE=1;//收發(fā)模式
#define RT_MODE PWR_UP=1; PRIM_RX=1; CE=0;//配置模式
#define RT_MODE PWR_UP=1; PRIM_RX=0; CE=0;//待機(jī)模式
#define RT_MODE PWR_UP=0; //關(guān)機(jī)模式
單片機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送流程如圖5所示。
（1）將接收機(jī)的地址（RX_ADDR）和要發(fā)送的數(shù)據(jù)（TX_DATA）寫入nRF24L01；
?。?）配置寄存器（CONFIG寄存器）的工作模式，使其處于發(fā)送模式后，通過微控制器將CE拉高，時長至少10 μs；
?。?）讀取狀態(tài)寄存器STATUS內(nèi)的內(nèi)容；
?。?）判斷發(fā)送完成標(biāo)志位是否被置位；
?。?）清空標(biāo)志位和數(shù)據(jù)緩沖，此后，nRF24L01進(jìn)入空閑狀態(tài)。
單片機(jī)數(shù)據(jù)接收流程如圖6所示。
?。?）將本機(jī)的地址和要接收的數(shù)據(jù)寫入nRF24L01；
?。?）配置CONFIG寄存器，使其切換為接收模式，然后將CE拉高，時長至少130 μs；
（3）判斷接收完成標(biāo)志位是否被置位；
（4）清空標(biāo)志位；
?。?）讀取數(shù)據(jù)緩存區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)；
?。?）清空數(shù)據(jù)緩沖，此后nRF24L01進(jìn)入任意模式。
出于節(jié)省I/O口、減小功耗的考慮，數(shù)碼管顯示采用動態(tài)掃描方式，P2.0~P2.3作為位選信號的輸出端，P0.0~P0.7作為段選信號輸出端，利用人眼的視覺暫留現(xiàn)象和二極管的余暉效應(yīng)達(dá)到顯示效果。
voiddis_display()
{
P0=seg［count2%10］;
led0=0;
Delay(40);
led0=1;
P0=seg［count2/10］;
led1=0;
Delay(40);
led1=1;
P0=seg［count1%10］;
圖7單片機(jī)串口通信程序流程圖……}
單片機(jī)RS-232串口通信模塊流程圖如圖7所示。
3.2發(fā)送端上位機(jī)主控界面VB軟件設(shè)計
為方便進(jìn)行一體化控制，如計分?jǐn)?shù)據(jù)存儲、多場次計分等，本系統(tǒng)設(shè)計了后臺PC上位機(jī)主控制界面程序，采用VB6進(jìn)行程序設(shè)計。上位機(jī)和下位機(jī)之間采用通用RS232串口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信［45］。
后臺主控制程序VB初始化程序如下：
Private SubForm_Load()
Combo1.AddItem "COM1"//串口選擇
Combo1.AddItem "COM2"
……
Combo2.AddItem "4800"//波特率
Combo2.AddItem "9600"
Combo2.AddItem "19200"
MSComm1.InputLen = 1 //一次讀取1字節(jié)
MSComm1.InBufferSize = 3 //設(shè)置接收緩沖區(qū)大小3
MSComm1.InBufferCount = 0 //清接收緩沖區(qū)
MSComm1.OutBufferSize = 512//設(shè)置發(fā)送緩沖區(qū)大小
MSComm1.OutBufferCount = 0 //清發(fā)送緩沖區(qū)
MSComm1.RThreshold = 3 //每接收3個字符觸發(fā)接收事件
MSComm1.SThreshold = 0//發(fā)送不觸發(fā)Oncomm事件
End Sub
“打開串口”按鈕事件代碼如下：
Private Sub Command11_Click()
Label4.Caption = "串口打開 "
If Form1.Combo1.Text = "COM1" Then
Form1.MSComm1.CommPort = 1
End If
If Form1.Combo1.Text = "COM2" Then
Form1.MSComm1.CommPort = 2 //設(shè)置串口
End If
……
If Form1.Combo2.Text = "4800" Then
Form1.MSComm1.Settings = "4800,N,8,1" //設(shè)置波特率
End If
If Combo2.Text = "9600" Then
MSComm1.Settings = "9600,N,8,1"
End If
……
Form1.MSComm1.PortOpen = True//打開串口
End Sub
VB程序設(shè)計相關(guān)事件源代碼如下所示：
A隊“+1分”Click事件代碼如下：
Private Sub Command1_Click()//1
MSComm1.Output = "1"
End Sub
A隊“+2分”Click事件代碼如下：
Private Sub Command2_Click()//2
MSComm1.Output = "2"
End Sub
B隊“+1分”Click事件代碼如下：
Private Sub Command5_Click()//1
MSComm1.Output = "5"
End Sub
B隊“+2分”Click事件代碼如下：
Private Sub Command6_Click()//2
MSComm1.Output = "6"
End Sub
4結(jié)論
本文根據(jù)實際需要完成了計分系統(tǒng)的研究與設(shè)計,包括整機(jī)設(shè)計、下位機(jī)底層硬件和軟件設(shè)計，較好地達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。
本系統(tǒng)充分利用了STC89C52RC單片機(jī)微型化、低功耗、抗干擾能力強(qiáng)和nRF24L01可較遠(yuǎn)距離傳輸信息等優(yōu)點，節(jié)省了電力和人力成本。該系統(tǒng)可根據(jù)賽制要求更改，以適用于不同的競賽場合。
參考文獻(xiàn)
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