nrf2401—nrf2401无线模块

更新时间：2025 07 26 21:28:54 作者：庆美网围观 : 29次

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1.1 复用段保护环点对多点系统

系统由一台中央监控设备(主阅读器)和一系列远程终端设备(从阅读器)构成了点对多点的多任务无线通信系统。主阅读器与从阅读器，以及各从阅读器之间通过双绞线进行连接，从阅读器可以作为一个数据中转站，起到暂存数据和距离延伸的作用，各个中转站之间以单向通信方式进行数据传递。各从阅读器由主阅读器通过双绞线进行远程供电，简化了系统结构，降低了成本。为了保证数据传输和系统供电的可靠性，各从阅读器之间组成了一个复用段环状结构，这种结构较链状结构的可靠性有大幅度的提高。

1.2 硬件平台

nrf2401—nrf2401无线模块

系统的硬件平台主要包括主阅读器和从阅读器两部分。从阅读器负责从标签读取数据，将数据打包处理后逐次传递，发给主阅读器，最后送到PC主机。考虑到室内定位所要求的通信距离、发射功率、成本以及功耗等，这里选择有源电子标签进行系统构建。为了满足系统设计所要求的收发稳定、信号检测灵敏度高以及低发射功率等要求，本系统选择了NRF2401无线传输芯片和以Atmega8L为主的微控制模块。

控制单元由MCU和编码电路构成，主要完成以下任务：①与应用系统软件PC端进行通信并执行系统发来的指令;②控制电子标签的通信过程;③信号的编码与解码;④执行反碰撞算法;⑤对电子标签与阅读器之间要传送的数据进行加密和解密;⑥进行读写器和电子标签之间的身份验证。系统结构如图1所示。

图2为单元系统硬件平台模块，系统具有工作状态指示和电源控制、移动目标位置识别、信息监控等功能，查询互控性较好。

2 系统通信协议的规划

为了保证阅读器与电子标签通信的稳定性，提高数据传输的效率，本方案依据协议ISO/IEC18000-7对系统通信协议进行了规划。

2.1通信协议的格式

系统采用的NRF2401芯片有两种收发模式，分别是突发模式和直接模式，这里采用突发模式。在突发模式下，NRF2401使用片内先入先出堆栈区，数据可低速从微控制器输入并高速发射出去。NRF2401自动处理字头和CRC校验码，即在发送数据时，自动加上字头和CRC校验码。在接收数据时，一旦检测到符合本机硬件地址的数据帧，便自动将字头和CRC码移除。突发模式下具体数据帧格式如表1所示，表2、表3为阅读器与标签之间的数据通信格式。

为了能够动态调整标签容量，适应不同应用场合的要求，根据系统MCU的处理能力，设置了4个标签容量值：16(10000)、64(1000000)、128(10000000)、256(100000000)。在数据帧中，标签ID号预留10个二进制位，最高位用来表示标签是否被激活，其余9位用来表示标签的ID,在ID号的分配过程中，首先由111111111与对应的标签容量作\”与\”运算，运算结果作为该容量下的编码范围。

2.2 软件流程

电子标签携带着相关信息，当微控制器接收到触发信号后，标签被激活，向阅读器发出呼叫请求，在定时器规定的时间内，不断地向距离最近的阅读器发送数据发送请求命令，直到收到阅读器发出的应答命令。在标签收到应答命令后，将携带的消息发送出去，判断阅读器的反馈信息，如果反馈信息与校验码相符，表示阅读器正确收到标签的数据。阅读器与标签的通信过程如图3所示。

从阅读器与标签进行通信的同时，还可以作为一个数据中转站进行数据传递，其工作流程如图4.中转站通信链路采用令牌环的传输方式，只有握有令牌的一方才有发送数据的权利。中转站每10 ms切换一次，具有执行中转站和与标签通信的双重作用。

2.3 防碰撞设计

系统所涉及的干扰主要有两个方面，一方面是阅读器与标签之间通信时，标签与标签之间的碰撞问题，当有较多的标签同时出现在阅读器的范围之内时，各标签之间传输的信号互相干扰，阅读器将收不到正确的信息。通过明确的分组，有效地限制每次响应的标签数量，使每次响应的标签数都与帧时隙算法的帧长相匹配，从而获得较高的标签识别效率。另一方向就是当2个以上的从阅读器同时向主阅读器传送数据时，将会产生干扰，出现错误信息。本文采用了时分多路法来解决，时分多路法的主要特点是利用不同的时隙来传送各路不同的信号，每路信号在时域上是分开的。

3 监控软件的开发

软件系统主要由三部分构成：数据库系统、地图编辑器、操作界面。软件界面的开发基于Visual Studio 2005,电子地图的二维显示框架主要使用了DirectX开发包。PC机通过RS232与主阅读器进行通信，获得的数据储存在基于Excel的数据库中。

电子地图信息系统的一大特点就是支持多场合的应用，为了提高软件的通用性，设计了辅助软件–地图编辑器，可以根据不同的应用场合，灵活地绘制、修改应用场景的地图。

通过对Excel的调用，完成数据的实时存储、查询调用功能，结果用数据表格和地图信息的方式进行显示。这样就可以对携带电子标签的移动目标进行实时的监控。

4 系统测试与结果分析

实验中使用了3个阅读器，2个电子标签。主要对标签与阅读器通信的误码率、阅读器的通信距离两方面进行了测试。另外根据MCU的数据处理速度，估算了阅读器识别范围内的标签容量，综合分析了单标签扫描次数与系统效率、标签容量之间的关系。

经测试发现，标签与阅读器数据传输的误码率与NRF2401芯片的工作频率选择有很大关系， NRF2401在2 400 MHz~2 570 MHz之间共有157个频点可供选择，选择适当的中心频率可以降低系统误码率，提高数据的传输效率。测试结果如图5所示。

由图5可知，在某一固定频率下，数据传输的误码率随着阅读器和标签之间距离的增大而逐渐升高;在相同距离下，当NRF2401的中心频率选择在2 450 MHz附近时，误码率较高，在偏离2 450 MHz时，误码率较低。另外，为了降低误码率保证数据的传输效率，中心频率点的尾数要尽可能的精确，这样可以大大降低数据传输的误码率。这主要是在ISM频段，WLAN、Bluetooth、Zigbee等设备的工作频率都集中在2 450 MHz附近，相互之间会产生严重的干扰。因此，设备在实际应用时，需要首先测试该环境下的空间电磁频谱分布情况，采用合适的中心频率尽量避免外界的电磁干扰，以提高系统的数据传输效率。

实验中分别测试了阅读器在不同接收功率下，系统的最大通信距离。

图6是电子标签接发射率为0 dBm,阅读器的接收功率分别为0 dBm、-5 dBm、-10 dBm、-20 dBm时，标签与阅读器的有效通信距离。经测试，在定向天线方向性最优的情况下，系统最大通信距离为33 m.这与公式(1)描述的2.45 GHz短距离无线通信的路径损耗模型基本吻合：

系统中阅读器使用的是12 MHz的晶振，经测试，在阅读器范围内，单标签单次扫描时间为32 ms,为了避免因外界干扰及系统误报造成的误判，阅读器采用固定门限值多次判别的方法来提高系统的可靠性。阅读器对同一个标签进行多次扫描，只有成功扫描达到一定次数以后才会进行数据采集，这样提高了系统的可靠性，但降低了阅读器范围内的标签容量。假设标签与阅读器的有效通信距离为S,携带标签的移动目标的移动速度为V,阅读器单标签扫描的时间间隔为T,单标签扫描次数为N,则可以估算出阅读器识别范围内的标签容量n的估算式为：

根据阅读器与标签的通信距离、单标签的扫描时间以及移动目标的移动速度，可以推导出标签扫描次数N、标签容量n及系统数据传输效率三者之间的关系，仿真曲线如图7所示。

图7是在标签发射功率为0 dBm、阅读器接收功率为-20 dBm、，移动目标的速度为1 m/s的情况下，标签扫描次数与标签容量及系统效率的关系图。由图可知，随着单标签扫描次数的增大，阅读器的正确识别率随之提高，而最大可识别标签数却急剧下降。在扫描次数为4~6次时，标签容量和系统识别效率都可以达到一个相对合理的值。因此，在接收功率和发射功率一定的情况下，要综合考虑标签容量和系统误码率，折衷设定一定的标签扫描次数，才能使系统性能最优化。

在高速发展的信息时代，射频识别技术应用正渗透各个领域。本文对2.4 GHz频段下的RFID进行研究和应用实验，较好地解决了系统频率、标签扫描、标签容量和识别效率的关系，系统运行稳定可靠，适用性较强，采用这种模式建立的RFID网络稳定可靠，通信效率高。该系统可以应用于城市公交、地铁等运营系统的监控管理，也可以应用于物流、矿井人员管理等多标签识别的场合。

STM32单片机详细教学（二）：STM32系列单片机的介绍

大家好，今天给大家介绍STM32系列单片机，文章末尾附有本毕业设计的论文和源码的获取方式，可进群免费领取。

STM32系列芯片是为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex M0, M0+, M3, M4和M7内核，按照内核架构分成不同的产品。其主流的产品有STM32F0、STM32F1和STM32F3；超低功耗产品STM32L0、STM32L1、STM32L4以及STM32L4+；性能产品STM32F2、STM32F4、STM32F7以及STM32H7。

在本文中以介绍笔者使用过的两款单片机STM32F103ZET6以及STM32F407IG为主，此外还会介绍常用的STM32F407VET6、STM32F429IGT等单片机。

STM32F103X6是一款中等容量增强型，32位基于ARM核心的微控制器，它主要拥有以下特点：

1、内核：ARM32位CortexTM-M3 CPU，最高72MHz工作频率，单周期乘法和硬件除法;2、存储器：64K或128K字节闪存成熟存储器，高达20K字节SRAM；3、时钟、复位和电源管理：23.6V供电和I/O引脚，上电/断电复位、可编程电压监测器，416MHz晶体振荡器，内嵌出厂调校8MHz振荡器，产生CPU时钟的PLL，带校准功能的32KHz RTC振荡器；4、低功耗：睡眠、停机和待机模式，VBAT为RTC和后备寄存器供电；5、2个12位A/D转换器（16个输入通道），速度为1us：转换范围0~3.6V，双采样和保持功能，温度传感器；6、DMA（直接存储器访问）：7通道DMA控制器，支持定时器、ADC、SPI、IIC和USART等外设；7、多达80个快速I/O口：所有I/O口都可以映射到16个外部中断，几乎所有的端口均可容忍5V的输入信号；8、调试模式：串行单线调试（SWD）和JTAG接口；9、多达7个定时器：3个16位定时器每个定时器有多达4个用于输入捕获/输出比较/PWM/脉冲计数的通道和增量编码器输入，1个16位带死区控制和紧急刹车用于电机控制的PWM高级控制定时器，2个看门狗定时器（独立型和窗口型），24位自减型计数器（系统时间定时器）；10、多达9个通信接口：2个IIC接口，3个USART接口，2个SPI接口，1个CAN接口，1个USB2.0全速接口；11、ECOPACK封装

对于STM32F103系列的系统结构如下图中所示，从这样一个内部资源图中可以很清楚地看到芯片内部的各种资源之间的连接关系，它们各自的功能如下：

1、ICode总线：将Cortex-M3内核的指令总线与Flash指令接口相连接，指令预取在这条总线上完成；2、DCode总线：将Cortex-M3内核的DCode总线与Flash指令接口相连接，用以常量的加载和调试访问；3、Syetem总线：连接Cortex-M3内核的系统总线（外设总线）到总线矩阵，总线矩阵用以协调内核和DMA之间的访问；4、DMA总线：将DMA的AHB主控接口与总线矩阵相连，总线矩阵协调CPU的DCode和DMA到SRAM、闪存和外设的访问；5、总线矩阵：是用来协调内核System总线和DMA主控总线之间的访问仲裁，仲裁使用轮换算法。总线矩阵包含4个驱动部件（DCode、System、DMA1和DMA2总线）以及4个被动部件（Flash接口、PSMC和AHB2APB桥）。AHB外设通过总线矩阵与系统总线相连，允许DMA访问。6、AHB/APB桥：恋歌AHB/APB桥在AHB和2个APB总线间提供同步连接。APB1操作速度限制为36MHz，APB2不限速（72MHz）。在每一次复位以后，所有除SRAM和Flash以外的外设都将被关闭，使用任意一个外设之前，必须要设置寄存器RCC_AHBENR来打开该外设的时钟。

通过STM32内部的多通信接口可外接的设备有：

USART接口：ESP8266 WIFI模块、GSM模块、蓝牙模块、GPS模块、指纹识别模块等；IIC接口：OLED屏、MPU6950、EEPROM等；SPI接口：VS1053音频模块、串行Flash、电阻屏等；AD/DA接口：光敏传感器、温湿度传感器、烟雾传感器、示波器等；CAN接口：电子调速器、以及各种CAN设备。

STM32F407IG是一款带DSP和FPU的高性能基础款系列，32位基于ARM核心的微控制器，它主要拥有以下特点：

1、内核：ARM32位CortexR-M4 CPU with FPU，最高168MHz工作频率，ART（自适应实时加速器），来自Flash存储的允许0等待状态（系统中五延时子程序时，所有输入参数都可以在第一时间得到响应，保证系统及时处理外部事件）；2、存储器：高达1MB的Flash存储，192+4KB的SRAM，以及包含64KB的CCM（核心耦合内存）；3、LCD并行接口，8080/6800模式；4、时钟、复位和电源管理： 1.83.6V供电电源和I/O，POR\\PDR、PVD和BOR，426MHz晶体振荡器，内部16MHz工厂调校的RC（精度为1%），具有校准的内部32KHz RC5、低功耗：睡眠、停机和待机模式，VBAT为RTC和后备2032位寄存器+4KB备份SRAM供电；6、312位，2.4 MSPS A/D转换器：高达24个通道和7.2 MSPS三重交错模式；7、2*12位D/A转换器；8、通用DMA：16-stream DMA具有FIFO和突发支持的控制器9、多达17个定时器：最多12个16位和2个32位定时器，最高168MHz，每个定时器最多4 IC/OC/PWM或脉冲计数器和正交（增量）编码器输入；10、调试模式：串行线调试（SWD）和JTAG，Cortex-MX嵌入式跟踪MacrocellTM ；11、多达140个具有中断功能的I/O端口：高达136个快速I/O、频率高达84MHz，多达138个5V耐压I/O；12、多达15个通信接口：多达3个IIC接口（SMBus/PMBus），多达4个USART/UART（10.5Mbit/s），7816接口LIN、IrDA及调制解调器控制，多达3个SPI（42Mbit/s）其中2个具有多路复用器，全双工I2S，2路CAN接口（2.0B），SDIO接口；13、网络连接：USB2.0全速设备/主机/OTG带有片上PHY的控制器，USB2.0高速/全速具有专用功能的设备主机/OTG控制器DMA以及片上全速PHY和ULPI，具有专用DMA的10/100以太网MAC支持IEEE 1588V2硬件MII/RMII；14、8至14位并行摄像头接口，最高可达54Mbytes/s；15、真随机数生成器；16、CRC计算单元；17、96位唯一ID；18、RTC：亚秒级精度，硬件日历。

可以看出STM32F4系列的单片机相较于F1具备更多的硬件资源，以及更高的晶振频率，因此它也能够实现更多更复杂的任务功能。

对于其他类型的STM32系列，比较常见的有STM32F407VET6以及STM32F429IGT单片机，这两款芯片的结构同属于F4类型。因此在这里就不在过多解释，主要介绍在淘宝中以这两款芯片作为主控CPU所设计的开发板。（1）淘宝上的某款基于F407的单片机开发板如下图中所示，其具有板载SD卡座、RTC电池CR1220、无线通信NRF2401接口、支持FNsc液晶接口多用户按键以及所有CPU-0引出的基本特性，其具体的参数如下表中所示：

（2）淘宝上正点原子的一款基于F429IGT芯片的单片机开发板如下图所示，其板载STM32F429IGT6芯片，176角，1024K Flash，256K SRAM，资源有8个串口、16个定时器、3个ADC共24通道，2个DAC，2个CAN，SDIO，FSMC，I2C，I2S，SPI，网络，DCMI摄像接口，百兆易以太网，全速USB OTG/高速USB OTG等。

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