基于nRF2401芯片的足球機(jī)器人的無線通信系統(tǒng)(論文)

1、基于nRF2401的足球機(jī)器人無線通信系統(tǒng)周軍，陳勇，林創(chuàng)魯，董豐（河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022，E-mail ：zhoujun）摘要：無線通信子系統(tǒng)是半自主式足球機(jī)器人系統(tǒng)的重要組成部分。介紹了無線通信模塊nRF2401的特點(diǎn)和性能，分別設(shè)計(jì)了系統(tǒng)機(jī)信號發(fā)送端和機(jī)器人小車的接受端的硬件電路，為系統(tǒng)提供了高效、可靠、穩(wěn)定的通信平臺。關(guān)鍵詞：足球機(jī)器人；無線通信；nRF2401中國分類號：文獻(xiàn)標(biāo)識碼：nRF nRF240124012401-based -based football robot robots lead-in correspondence systemZHOU Jun

2、 ，CHEN Yong ，LIN Chuang-lu ，DONG Feng(Collegeof Mechanical and Electrical Engineering, Hohai University,Changzhou 203022,E-mail ：Abstrac t ：The system of wireless communication is an important part of half-independent robot soccer .In thispaper the characteristics and performances of nRF2401are intr

3、oduced firstly, then hardware circuit of sending out PC signals and receiving is designed respectively .In this way a highly effectiveand reliable communication interface is provided.Key words ：robot soccer ；wireless communication ；nRF2401足球機(jī)器人競賽是一個(gè)極富挑戰(zhàn)性的高技術(shù)對抗平臺，融小車機(jī)械、機(jī)器人學(xué)、機(jī)電一體化、單片機(jī)、圖像處理與圖像識別、決策以及無線

4、通信等理論和技術(shù)于一體，既是一個(gè)典型的智能機(jī)器人系統(tǒng)，又為研究發(fā)展多智能體系統(tǒng)、多機(jī)器人之間的合作與對抗提供了生動(dòng)的研究模型。同時(shí)，機(jī)器人足球賽從一個(gè)側(cè)面反映了一個(gè)國家信息與自動(dòng)化領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究和高技術(shù)發(fā)展水平。足球機(jī)器人系統(tǒng)在硬設(shè)備方面包括機(jī)器人小車、攝像裝置、計(jì)算機(jī)主機(jī)和無線發(fā)射裝置；從功能上分，它包括機(jī)器人小車、視覺、決策和無線通信四個(gè)子系統(tǒng)。其中無線通信系統(tǒng)是銜接主機(jī)和底層機(jī)器人不可缺少的環(huán)節(jié)。它必須保證從主機(jī)端到機(jī)器人底層之間的數(shù)據(jù)傳送可靠性，從而使得機(jī)器收稿日期：作者簡介：周軍（1961-），男，博士研究生，副教授人比賽能夠順利流暢進(jìn)行，同時(shí)要求無線通信系統(tǒng)必須要有抗干擾能力強(qiáng)，功

5、耗小，傳輸速度快等特點(diǎn)?；诂F(xiàn)有Mirosot 11:11足球機(jī)器人系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸出現(xiàn)的數(shù)據(jù)量大，誤碼率高的缺陷，我們提出了一種基于nRF2401的高速無線通訊系統(tǒng)。1nRF2401介紹nRF2401是NORDIC 公司的一款工作于2.42.5GHzISM 頻段的真正單片射頻收發(fā)芯片，它采用優(yōu)化的GMSK 調(diào)制解調(diào)技術(shù)，125個(gè)頻道可變，最高速率可達(dá)1Mbps ，高于藍(lán)牙，內(nèi)置硬件CRC 電路及多點(diǎn)通訊控制，特別適合FIRA 點(diǎn)對多點(diǎn)無線通訊。它所有的參數(shù)（包括工作頻率和發(fā)射功率）都可以通過軟件編程設(shè)置。它的工作電壓范圍為1.93.6V ，功耗很小，在5dBm 的發(fā)射功率下，工作電流只需10.

6、5mA ，接收時(shí)的電流只要18mA 。圖1可以看出nRF2401芯片的用戶接口，QFN245x5引腳封裝，僅需少數(shù)幾個(gè)元件就可以使用，在足球機(jī)器人小車的設(shè)計(jì)中，可以節(jié)省空間，同時(shí)，高度集成還能提高芯片的抗干擾能力，保證通訊的穩(wěn)定可靠。 工作模式通過引腳PWR_UP、CE 、CS 來控制。表 1給出了工作模式與信號設(shè)置的對應(yīng)關(guān)系。值得指出的是，收發(fā)模式可分為兩種模式:ShockBurstMode 和Direct Mode 。ShockBurst 技術(shù)使TM TM 用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，使數(shù)據(jù)能從MCU 低速輸入，但高速發(fā)射出去(1Mbps，可以節(jié)省能耗，這樣，使用低速的MCU 也能實(shí)現(xiàn)很高的射

7、頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關(guān)的高速信號處理都在片內(nèi)進(jìn)行，在提高抗干擾性能的同時(shí)，降低系統(tǒng)的能耗。在ShockBurst 模式下，數(shù)據(jù)的收發(fā)采用如表2的數(shù)據(jù)包格式。TM 模式PWR_UPCE CS 收發(fā)110配置101空閑100關(guān)機(jī)XX 節(jié)大小為：DATA_W(bit =256ADDR_WCRC 。在ShockBurst 模式下可以增加CRC 校驗(yàn)位，接受數(shù)TM 據(jù)時(shí)會自動(dòng)把CRC 校驗(yàn)位移去。因此，我們在使用時(shí)采用了它的ShockBurst 模式，下文就把重點(diǎn)放在TM ShockBurst 模式的介紹上。nRF2401在配制模式下，通過由CS ，CLK 和DATA 組成的3線接口將控制參數(shù)鎖

8、存到內(nèi)部配置單元的寄存器中。在ShockBurst 模式下，有15字節(jié)的寄存器需要配置。通過DATAx_W聲明數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)TM 占用的位數(shù)，使nRF2401能夠區(qū)分出數(shù)據(jù)段和CRC ；ADDR_W聲明數(shù)據(jù)包中地址段所占用的位數(shù)，DATAx CRC 寄存器使nRF2401產(chǎn)生CRC 校驗(yàn)碼和解碼，同時(shí)聲明數(shù)據(jù)包中CRC 的長度，可以是1個(gè)或2個(gè)字節(jié)。RX2_EN為兩個(gè)通道接受使能標(biāo)志位；CM 為通訊模式選擇位（Direct 或ShockBurst 模式）；RFDR_SB為射頻波特率設(shè)置位；XO_F晶振頻率設(shè)置；TM RF_PWM為射頻輸出功率；RF_CH#頻道設(shè)定；RXEN 為發(fā)射或接收選定。2

9、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)在比賽過程中，攝像頭采集過來的視頻信號經(jīng)過專家決策系統(tǒng)決策后得到控制小車用的數(shù)據(jù)信息，不同的小車通過不同的地址來識別數(shù)據(jù)信息，無線通信系統(tǒng)就是將這些數(shù)據(jù)信息及時(shí)準(zhǔn)確的發(fā)送到場上的每一個(gè)機(jī)器人小車。發(fā)送端主要用C8051F015單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)對發(fā)射機(jī)的控制，計(jì)算機(jī)通過串行口發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過nRF2401無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。C8051F015單片機(jī)是Cygnal 公司推出的一款高性能的8位單片機(jī)，它是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU 芯片，具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。運(yùn)算速度可達(dá)25MIPS （時(shí)鐘頻率為25MHz 時(shí)），工作電壓2.7

10、V3.3V，功耗低。數(shù)據(jù)由PC 機(jī)的串口發(fā)送出來，故使用MAX232電平轉(zhuǎn)換將EIA/TIA-232-E電平轉(zhuǎn)換為5V TTL/CMOS電平，C8051F015接收來自串口的數(shù)據(jù)后，發(fā)往不同地址（不同的隊(duì)員）的收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送，示意圖如圖2所示。（發(fā)射模塊發(fā)送擁有不同地址的數(shù)據(jù)信息給小車（每個(gè)地址對應(yīng)一個(gè)車號，小車只有接收到與他的地址（車號）相同的數(shù)據(jù)信息時(shí)，才認(rèn)為是有用信息并接受） 從圖中可以看出，C8051F015的P0.1被軟件配置為RX 口接收來自PC 機(jī)的數(shù)據(jù)信號，通過對nRF2401的初始化，使它工作在發(fā)射狀態(tài)，ShockBurst 模式，定義數(shù)據(jù)包格式，同時(shí)通過C

11、E 、CLK 和DATA 三TM 線接口將數(shù)據(jù)以1Mbps 的速度發(fā)射出去，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。當(dāng)系統(tǒng)復(fù)位時(shí)，C8051F015首先要對單片機(jī)和nRF2401進(jìn)行初始化，以便使nRF2401通訊協(xié)議與接收端的通訊協(xié)議一致（包括相應(yīng)的頻道、通道、輸出功率、時(shí)鐘頻率和工作模式等），這樣才能保證通訊的正常進(jìn)行。當(dāng)C8051F015串口接收完一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)后就產(chǎn)生中斷，在中斷服務(wù)子程序里面實(shí)現(xiàn)對nRF2401的數(shù)據(jù)發(fā)送（先把），nRF2401對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，添加PREAMBLE 和CRC 校驗(yàn)，然后將數(shù)據(jù)包逐一發(fā)出。程序流程圖如圖3所示。 （C8051F015首先要對單片機(jī)和nRF2401進(jìn)行初始化（包括

12、相應(yīng)的頻道、通道、輸出功率、時(shí)鐘頻率和工作模式等）|CE 高電平，串行裝載數(shù)據(jù)，MCU 向NRF2401傳送數(shù)據(jù)|加上尾部的CRC （校驗(yàn)）|CE 置低電平，激活ShockBurst 發(fā)射模式|加載數(shù)據(jù)頭PREAMBLE （校驗(yàn)）|發(fā)送封裝的數(shù)據(jù)包）2.3 接受端的軟硬件設(shè)計(jì) 在接收端，nRF2401 被配置為與發(fā)射端一樣的通訊協(xié)議，接收來自發(fā)送端的數(shù)據(jù)，然后通過兩個(gè)通道 中的一個(gè)通道的 CE、DR、CLK 和 DATA 引腳把數(shù)據(jù)傳送到接收端的 MCU 里去，數(shù)據(jù)的傳送采用普通的 I/O 口來模擬，完成數(shù)據(jù)的接收，程序流程圖如圖 4 所示。 初 始 化 N O D R=H I G H YES M C U產(chǎn) 生 中 斷 從 n R F2 4 0 1 移 出 數(shù) 據(jù) N O 寄存器是否為 空 YES D R=L O W 圖 4、接收端程序流程框圖 3 總結(jié) 本文詳細(xì)介紹了基于 nRF2401 的足球機(jī)器人無線通信系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。經(jīng)試驗(yàn)證明，采用 nRF2401 無線 射頻通信芯片和高性能