基于MSP430和nRF905的多点无线通讯模块

    本文介绍的无线通讯模块，采用通用的低功耗单片机MSP430作为主芯片，nRF905作为无线收发模块，利用SPI口实现双向通讯，SPI支持高速数据传输，从而满足了射频带宽的要求。nRF905提供了强大的跳频机制以及大量的频道支持，可以用在许多特殊的场合，而且即使利用无增益的PCB天线其传输距离也可达200m，如果需要更远距离的传输，也可以改成带增益的天线，传输距离即可扩大到1千米以上，可满足不同客户的需求。

1 系统硬件实现
    无线通讯模块的实现框图如图1所示，除了MSP430和nRF905外，系统还留有MAX232接口可以实现与PC的机通讯，MAX485接口满足一些通用仪器仪表的要求，并提供了按键和液晶等人机交互界面。
 

2 驱动实现
2.1 MSP430的SPI驱动
    MSP430用标准SPI口和nRF905进行通讯，标准接口包括两根数据线：MOSI(主发从收)和MISO(从发主收)，还有时钟线CLK，主机用CLK与从机时钟同步。
    如图2所示，SPI可以理解成双工方式，因为在发送数据的同时也可以接受数据。SPI分成主模式和从模式，从模式完全被动，数据的发送和接受都由主机掌握。实际上参与工作的都有四个寄存器，主机将数据写入发送缓存UTXBUF，数据并行存入发送移位寄存器。数据一旦写入UTXBUF，立即从MOSI线移位到从机的接受移位缓存，而从机移位缓存中的数据又将其发送移位寄存器中数据，通过MISO移位到主机的接受移位寄存器，再并行读入接受缓存中。所以利用SPI同时进行读写操作。
 
图2 430 SPI示意图
2.2 nRF905的驱动
    nRF905共有32个引脚，其中有10个引脚尤其需要我们注意：和主MCU通讯的SPI接口的四个引脚，数据线MOSI、MISO，时钟线SCK、使能线，其中CSN可以接到一个IO口控制芯片工作，而其它三个脚则接到主MCU的SPI接口上；主MCU的控制线有三个引脚，控制低功耗的PWRUP，控制正常工作的TX_EN，选择发送还是接受方式的TRX_CE，这几个引脚都接到主MCU的通用IO口；nRF905的反馈线有三根，检测到频道正被使用的CD(carrier detected)，通知接受地址正确的AM(addreSS matched)，告诉MCU数据接受正确的DR(data received)，这几个引脚需要接到主MCU的中断引脚上，当接收数据正确时以中断方式通知主MCU。
    nRF905与MSP430接口如图3所示，其中MOSI、MISO、SCK分别与主机SPI口对应，CSN、TRX_CE、PWR_UP、TX_EN接通用IO口，而CD、AM、DR接中断口，430的P2口都是复用的中断口，这样收到数据可以用中断及时通知430。
 
图3 硬件接口
2.2.1 寄存器操作
(1)寄存器介绍
    对nRF905操作主要是对其寄存器进行操作，主要有四个寄存器，即配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接受数据寄存器，每次发送数据时将对方地址写入发送地址寄存器中，将不超过32 byte的数据写入发送数据寄存器即可 而各节点地址在配置寄存器设置，接受的数据则自动放入接受数据寄存器中。
(2)操作寄存器
    nRF905控制信号线CSN的下降沿使能寄存器，如果希望对某个寄存器进行操作的时候，首先需要将CSN引脚置低。905提供了特殊的命令字来支持对寄存器的操作，比如写配置寄存器的命令字为(WC)0000 XXXX，读配置寄存器的命令字为(RC)0001XXXX，其中XXXX为起始地址。当操作某个寄存器时，先写入该寄存器的命令字，即可对其操作。
2.2.2 设置频道和频段
    nRF905最吸引人的一个特点就是提供跳频支持，以及拥有大量的频道可使用。nRF905可以在433/868/915频段进行通讯，其实868和915属于同一频段，即主要分两大频段，而每一频段又有2⁹个频道可以使用，但实际上针对不同的天线，只有一个频段可以让芯片发挥最好的功能，所以一种天线有2⁹频道使用。当在某个频道上遇到干扰时，可以跳频来继续通讯，确保数据完整性。配置寄存器提供了CH_NO和HFREQ_PLL来设置频道，公式为：
f=(422.4+(CH_NO/10))×(1+HFREQ_PLL)MHZ
    nRF905提供了一个专门的命令字来支持快速跳频，这样在通讯过程中可以迅速实现跳频，从而在不影响通讯速度的情况下，完成通讯。
2.2.3 发送数据流程
     设置好配置寄存器后，就可以发送数据了.我们先给出具体的时序图，再解释具体流程。
时序图如下：
 
图4发送时序图
①主MCU将PWR_UP置高，使905进入工作模式，再将TX_EN置高进入发送数据模式。
②将发送地址通过SPI口写入发送地址寄存器TX_ADDRESS，再将数据写入发送数据寄存器TX_PAYLOAD，SPI口的速度由主MCU设置。
③主MCU置高TRX_CE，905自动将数据帧格式补齐，加入包头Preamble，并根据寄存器设置计算CRC校验填人包尾，然后905将整个数据以100 bit/s的速度，采用曼彻斯特编码，以GFSK形式发送出去，发送完毕，DR会置高，通知主MCU可以继续下次发送。
④如果配置成自动重发模式，nRF905会自动重发，直到TRX_CE置低。
⑤发送完后可以将TRX CE置低，这样就进入standby模式，实际操作时可以直接将TRX_CE产生脉冲，持续时间不少于10us，就可以发送完数据。
  发送数据流程图如图5所示：
 
图5发送数据流程图
2.2.4接受数据流程
    下面我们讨论如何接受数据，同样先给出时序图如图6，再解释流程。
 
①主MCU将TX_EN置高、TRX_CE置低，过650 us后，则进入接受模式。
②nRF905监控频道使用状况，如果发现频道被占用，则将CD置高，可以利用该特性采取一些冲突避免检测机制，发送数据前如果检测到CD信号，则可以随机延迟一段时间再发送数据，该特性可以有效地避免数据冲突。
③当接收到的数据发送地址和自己地址匹配时，则AM置高，通知该数据是发给自己的。
④对数据的CRC进行校验，如果正确，则去除包头和CRC段，将数据保存在接受数据寄存器RX_PAYLOAD，同时DR信号置高，通知主MCU读取数据。
⑤主MCU将TRX_CE置低，进入standby(省电)模式再通过SPI口将数据读出来，当数据都读完后，nRF905将AM和DR重新置低，为下次接受数据做准备。
接受数据流程图如图7所示。
 
图7接受数据流程图
    如果需要将驱动移植到其它平台如ARM上，只要将接口重新定义，SPI读写函数做相应的调整，移植起来非常简单。

3 MAC算法实现
    既然nRF9O5提供了这么多频道和跳频机制，如何充分利用这些特性，使通讯更加稳定呢?下面实现的是基于Ad Hoc网络的MAC协议。
3.1 MAC协议框架
    如图8所示，频道被分成两类，控制频道和数据频道。而数据频道又被分成若干组，每组均有一个主数据频道和两个备用数据频道。正常通讯的时候，采用主数据频道，如果误码率高达一定程度，可以跳至备用数据频道继续通讯。
 
图8 协议架构
    通常，各节点在控制频道处于接受状态，采用广播地址。Ad Hoc网络中各节点均以自己为中心，故各节点均维护着自己的“控制频道状态表”BroadStatus和“频道列表”Hoplist，两者分别记录了控制频道和数据频道的使用状况。结构分别如下所示：
struct
{
    控制频道使用标志broad;
    控制频道使用时间broadtime;
}BroadStatus;
struct
{
频道列表hoplist;
频道使用时间hoptime[n];
频道占用地址hopaddress[n][2];
}Hoplist
3.2 控制频道
    控制频道用于各节点交换路由信息、握手信息等。由于握手信息和路由信息相对大块的数据信息而言很小，所以各节点占用控制频道的时间相对较少，这在很大程度上避免了控制频道上的数据冲突。但是由于控制频道为所有节点所共用，必须采用冲突避免协议，本文采用了IEE802.11b的CSMA/CA机制，即每次发送数据都要等到频道空闲，再用“二进制指数退避算法 随机延时一段时间，当延时时间到再发送数据，这样就有效地避免了同频道下的数据冲突。同时考虑到隐藏节点、暴露节点等问题，我们采用了RTS/CTS/BROAD机制，如果节点A需要
发送数据到节点B，则先发送RTS并携带自己的数据频道列表信息，节点B收到RTS后，对比自己的频道列表选择一个共用的空闲频道返回RTS，并跳人该频道等待数据的到来。节点A收到CTS后再携带使用频道信息发送BROAD，然后跳入数据频道开始与节点B进行数据通讯。而其他节点收到CTS、BROAD后及时登记频道列表信息，方便下次数据传输时直接查询，该信息会随着系统晶振不断更新，这样各节点所维护的频道都是当前频道使用的状况。
3.3 数据频道
    与共用的控制频道不同，当双方节点都处于数据频道时相当于建立了专用通道，此时不用采取CSMA/CA机制，我们采用确认机制、重发机制和跳频机制来确保数据准确无误的传输。通讯流程基本采用DATA+ACK形式，即发送完DATA等待ACK，接受到DATA则发送ACK确认。如果
ACK不正确或没收到ACK则重发，如果该频道不能使用则进行跳频。跳频需要双方协调进行，具有一定的复杂性，这里具体解释一下跳频机制。
    图9为发送端跳频示意图，当发送端受干扰，即发送端可以发送数据，但接受不到数据，当误码率高达上限时，发送端发送CHG并携带将跳至的频道值hop，然后跳人备用数据频道hop中，再发送CHECK，等待握手信息。而接受端收到CHG后，从中提取出hop信息，再跳至该hop，当接受到CHECK时，再发送验证信息CHECK。自此，收发双方握手完毕，接着在新的频道中继续通讯。
 
    图10为接受端跳频示意图，当接受端受干扰或者收发双方都收到干扰，这时接受端收不到来自发送方的控制信息CHG，只能完全依靠误码率信息，此时同步尤为重要。由于双方误码率同时增加，当依次达到上限时，可以依次跳人备用频道继续通讯。由于存在重发和延时机制，双方并不需要同时跳入备用频道，系统具有一定的容错性。每个数据频道组有两个备用频道，如果三个频道都不能使用，则此次通讯就失败了。但是通常一定时间内干扰只在某个频段存在，只要将三个数据频道拉开一段频距，即可有效地抵制干扰。
 

4 总结
    文中无线多点收发模块在MSP430和nRF905的基础上，实现了物理层驱动和基于Ad Hoc网络的MAC层协议，但没有提供网络层路由协议。物理层点对点通讯确保了数据传输的可靠性。MAC协议确保同时传输数据时避免冲突。在测试中，我们网络层采用鱼眼算法，用15个节点动态组网并互传信息，在该体制下信息可以同时发送相互之间没有干扰。该模块可以很好的运用在一些抄表系统、遥控系统、以及机器人控制中。