基于DSP的无线数据传输系统外文翻译资料

 2022-07-18 08:07

基于DSP的无线数据传输系统
何静，秀庆敬，张春霞，崔飞飞

天津电子科技大学信息与自动化系

中国，天津市

摘要-介绍一种基于TMS320DM642的无线数据传输系统。 nRF24L01被用作无线射频芯片。对接口电路和软件设计进行了说明，给出了一些重要的程序。系统可以完成数字信号的处理和无线传输，无需其他微控制器。它可以用来完成静态图像或语音信号的通信。

关键词-TMS320DM642，nRF24L01，无线通信

I 引言

由于无线数据通信不需要布线，因此可以快速布局，与有线数据通信相比，具有无与伦比的便利性。在一些特殊场合中，它是不可替代的[1]。目前，无线数据传输系统的控制核心往往是单片机，大部分单片机控制能力较强，计算能力较弱。随着音视频技术的发展，在许多情况下，需要寻址和传输的数据是语音信号，图像信号或视频信号。这些信号数据量大，处理算法复杂； MCU很难满足这些信号处理的要求。所以它需要专门的数字信号处理器作为系统的核心。

如果它可以应用数字信号处理器同时完成对无线数据模块的控制，那么就可以很容易地将数据处理和无线传输结合在一起。而在许多实际应用中，我们不需要处理运动图像，只需要处理和传输单帧图像。所以对数据传输速率要求不高，无线通信能够满足要求[2]。因此，本文以nRF24L01射频收发芯片和TMS320DM642数字信号处理器为核心，设计了一个简单实用的无线数据传输系统，并将其应用于农业病虫害检测系统，取得了良好的效果。

II 硬件电路设计

A.硬件原理框图

本文设计的无线数据传输系统的硬件框图如图1所示。射频芯片选用由Nordic公司推出的独立RF收发器芯片nRF24L01。它的工作原理是世界范围的2.4-2.5GHz ISM频段。芯片内置集成频率合成器，功率放大器，晶体振荡器，解调器，调制器，增强型ShockBurst模式控制器等功能模块[3]。

图1 无线数据传输系统的硬件框图

系统的核心是TI公司制造的数字信号处理器TMS320DM642（以下简称DM642），它是专门用于处理视频，图像，音频和语音信号的微处理器。它具有高速和并行处理等特点；它非常适合实时信号处理和识别，在实际生活中得到广泛应用。DM642的工作频率可以达到720MHz，有八个并行计算单元，处理能力为5760MIPS [4]，此外，它还具有丰富的片上资源，内部集成了三个视频接口VP0-VP2，一个多路通道音频串行端口McASP0，可以轻松读取音频和视频信号。

在硬件框图中，我们将VP0作为视频信号的输入端口，与视频解码芯片连接，视频解码芯片连接到视频信号采集设备； McASP0与音频编解码器连接，音频编解码器负责从耳机或麦克风读取信号。收集到的信号将通过这两个端口进入DM642，根据需要对信号进行处理后送入nRF24L01，信息将由其发送。接收器发送信息后将其存入内存进行保存，并通过DM642（HPI I）的内部主机接口与主机进行通信。本文重点介绍DM642和nRF24L01接口电路的设计以及本部分的编程流程。

B.DM642和nRF24L01硬件接口

nRF24L01通过SPI接口与外部控制设备进行数据交换，DM642没有专用SPI接口，但其内部多通道缓冲串行端口（McBSP）可配置为供SPI端口使用。这些引脚实际连接到DM642的串行端口。具体的连接方法如图2所示。发送方和接收方的连接方式相同。

图2 连接方法

在该图中，DM642是SPI的主设备，nRF24L01是SPI的从设备。 nRF24L01的CE引脚与DM642的通用脚GPIO3相连，用于使从设备决定工作模式；由CSN，MOSI，MISO和SCK4线组成的SPI端口与DM642的McBSP1连接。该端口可以通过软件设置为SPI端口，当它用作SPI端口时，FSX1是从设备的使能信号； DX1是主设备的数据输出; DR1是主设备的数据输入； CLKX1是与SCK连接并充当SPI时钟信号。

在该图中，DM642是SPI的主设备，nRF24L01是SPI的从设备。 nRF24L01的CE引脚与DM642的通用脚GPIO3相连，用于使从设备决定工作模式；由CSN，MOSI，MISO和SCK4线组成的SPI端口与DM642的McBSP1连接。该端口可以通过软件设置为SPI端口，当它用作SPI端口时，FSX1是从设备的使能信号； DX1是主设备的数据输出； DR1是主设备的数据输入； CLKX1与SCK连接并充当SPI时钟信号。

III 软件设计系统

上电后，我们将在DM642上进行初始化，主要用于EMIF初始化和端口的一般设置。然后将McBSP配置为SPI的主设备。在此基础上，在nRF24L01上进行寄存器分配并将其初始化为发送模式或接收模式，然后开始数据通信。以下部分将解释软件程序的主要部分。

A.将McBSP配置为SPI的主器件

当McBSP作为SPI的主器件时，它将生成时钟信号CLKX和从器件的信号FSX，因此这两个引脚应为输出引脚，即PCR寄存器中的CLKXM和FSXM应设置为1。接收数据延迟位（RDATDLY）和发送数据延迟位（XDATDLY）必须为1位；其他值会导致传输错误。此外，还需要选择SPI时钟源并设置频率值，确定CLKSTP模式，设置传输数据格式，启动采样频率发生器，然后将SPCR寄存器中的XRST和RRST置1以启动发送器和接收器的工作[5 ]。具体程序如下。
void spi_init（）

{SPCR1 = 0x00000000;

SPCR1 = 0x00001800; // CLKSTP = 11

PCR1 = 0x00000A08; // CLKXM = 1，FSXM = 1，

CLKXP = 1，FSXP = 1

SRGR1 = 0x2000001D; // CLKSM = 1，FSGM = 0，

CLKGDV = 0xff; //设置SPI的时钟频率

RCR1 = 0x00510050; // RDATDLY = 1

XCR1 = 0x00510050; // XDATDLY = 1

SPCR1 = 0x00401800; // GRST = 1

asm（“NOP”）; //等待两个指令时钟

asm（“NOP”）;

SPCR1 = 0x00411801; } //启动发送器和接收器的工作

B.单字的读和写nRF24L01的初始化

系统以32位单元传输读写单字的子程序如下。对于DM642，当每个DXR中的数字进入XSR时，FSX引脚将产生有效信号并驱动nRF24L01工作，因此无论是发送还是接收，DM642都需要在DXR上进行分配以启用FSX。在DM642接收到数据后，SPCR中的第一个RRDY被复位，接收到的数据被放入DRR，并且该子命令将其作为返回值。具体函数是：

uint SPI_RW（uint zi）

{DXR1 = zi;

while（！（SPCR1amp;0x2））;

zi= DRR1;

return（zi）;}

开始通信后发送给nRF24L01的第一个字节必须发送到命令字，它通过MOSI引脚串行移入nRF24L01，高位位于前一位置，低位位于后一位置。 同时，其内部寄存器值的内部状态从MISO引脚移动。 命令字由nRF24L01定义，包括读取寄存器，写入寄存器，读取数据和写入数据。 在命令字之后，芯片将在命令字下完成相应的任务。 nRF24L01数据传输的方式有两种模式：Shock-Burst和Enhanced ShockBurs。 后者比前一种型号具有更多的功能，即数据传输的握手信号，以确保数据传输的可靠性。 所以系统选择增强ShockBurst模式通讯。

当nRF24L01进行初始化时，命令字应写入寄存器命令，从第二个字节开始，我们需要写入寄存器值。在初始化过程中，我们需要设置地址，发射功率，工作频率等。以下是接收机nRF24L01初始化的具体步骤，nRF24L01共有6个接收通道，在这里接收来自通道1的数据。

void RecieveMode（void）

{SPI_W_Reg（WRITE_REG EN_AA，0x02）; //开始ACK

SPI_W_Reg（WRITE_REG EN_RXADDR，0x02）; //开始接收器的工作SPI_W_Reg（WRITE_REG SETUP_AW，0x01）; //设置地址宽度3bytes

SPI_W_Reg（WRITE_REG SETUP_RETR，0x1a）; //设置自动重传计数和自动重传延迟

SPI_W_Reg（WRITE_REG RF_CH，0）; //设置频率通道nRF24L01运行

SPI_W_Reg（WRITE_REG RF_SETUP，0x07）; //在TX模式下设置RF输出功率

SPI_W_Reg（WRITE_REG RX_PW_P1，3）; //设置数据管道1中RX有效负载的字节数

SPI_W_3byte（WRITE_REG RX_ADDR_P1,0x58,0x2A，0x3C）; //设置接收地址数据管道

SPI_W_Reg（WRITE_REG CONFIG，0x7f）; } //作为接收器工作

SPI_W_Reg函数用于赋值给nRF24L01寄存器，并在其中调用SPI_RW（）。参数WRITE_REG用于写入寄存器顺序的基本地址0x20，偏移量是每个寄存器地址的地址。函数的第二个参数需要写入寄存器的值中。

发送方nRF24L01的初始化与接收方相似，但我们需要注意两个问题：首先，在增强ShockBursttrade;模式下，发送方在发送数据后需要从接收方接收响应信号（ACK），然后它可以发送下一个数字。该芯片将发送者的通道设置为0来接收ACK，因此当它初始化时需要打开通道0以使接收者地址与发送者地址相同。其次，初始化的最后一句应修改为“SPI_W_Reg（WRITE_REG CONFIG，0x7e）;”

C.数据传输

系统设置每次传输总共4个字节和32位二进制数字，其中第一个字节是写入数据命令0xA0，因此实际传输每次有三个字节。 程序会将需要传输的数据放入unsigned char sd [N]的数组中，数据传输过程如下：

for（i = 0; i lt;N; i = i 3）

{Senddata（sd[i]，sd[i 1]，sd第[i 2]）; //发送3个字节
st = SPI_R_Reg（READ_REG STATUS）; //读取状态寄存器

while（！（stamp;0x20））

{st = SPI_R_Reg（READ_REG STATUS）;

if（（stamp;0x10）== 0x10）

{SPI_W_Reg（WRITE_REG STATUS，0x10）;

SendData（sd[i]，sd [i 1]，sd[i 2]）; } }

在增强ShockBurst模式下，发送者收到响应信号后，会认为信号发送成功。状态寄存器TX_DS的第五位设置为1，然后循环回到开始并在下一组中发送设置数据，如果TX_DS为0，则等待并重新读取状态寄存器值。如果没有收到响应信号，则会自动重新发出。自动重新发送的最大次数在初始化时确定，如果达到该值并且没有收到应答，则该信号将在MAX_RT的第四位重置。该位置位后，不能继续下一步的操作。因此，如果发现MAX_RT为1，那么必须在该位写入1以清除该位并重新发送前一组中的数据。

接收器接收数据后，RX_DR状态寄存器的第六位被设置，并发送响应信号。在程序检测到RX_DR的高电平后，它将执行“读取数据”命令并从MISO线读取数据。

Ⅳ 需要注意的问题

  1. TMS320DM642和VP1数据引脚复用McBSP1的问题，在实际应用中引脚的功能由PERCFG决定，因此，在应用McBSP1时，应首先设置PERCFG并选择引脚功能。
  2. 在我们开始发送之后，根据时序，CE需要保持高电平至少10mu;s，然后将其拉低。 在实际操作中，这个过程是通过延迟程序来实现的。 具体的编译方法与CPU的时钟频率有关。
  3. 系统在DM642上编程时，选择CCS的编程环境，CCS集成了C编译器，编译器将非信号和非字符变量编译成8位二进制数。 无符号整数变量被编译为32位二进制数，当我们编译过程时我们应该注意这一点。

Ⅴ 结论

与传统无线通信系统相比，本文采用数字信号处理器代替单片机，实现对无线通信模块的控制。 通过这样做，它可以通过DSP对采集到的信号进行简单处理并发送出去。 它具有低功耗和低成本。 在图像防盗报警，交通道口控制，农业病虫害监测等领域的实时情况要求较低的情况下，nRF24L01的2Mbps传输速率完全可以满足要求。 在实践中，我们可以构建一对多和多对多的结构。 有广泛的应用空间。

ZigBee远程无线数据传输系统的

设计与实现

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