基于nRF2401芯片的足球机器人的无线通信系统(论文)

1、基于nRF2401的足球机器人无线通信系统周军，陈勇，林创鲁，董丰（河海大学机电工程学院，江苏常州213022，E-mail ：zhoujun）摘要：无线通信子系统是半自主式足球机器人系统的重要组成部分。介绍了无线通信模块nRF2401的特点和性能，分别设计了系统机信号发送端和机器人小车的接受端的硬件电路，为系统提供了高效、可靠、稳定的通信平台。关键词：足球机器人；无线通信；nRF2401中国分类号：文献标识码：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足球机器人竞赛是一个极富挑战性的高技术对抗平台，融小车机械、机器人学、机电一体化、单片机、图像处理与图像识别、决策以及无线

4、通信等理论和技术于一体，既是一个典型的智能机器人系统，又为研究发展多智能体系统、多机器人之间的合作与对抗提供了生动的研究模型。同时，机器人足球赛从一个侧面反映了一个国家信息与自动化领域的基础研究和高技术发展水平。足球机器人系统在硬设备方面包括机器人小车、摄像装置、计算机主机和无线发射装置；从功能上分，它包括机器人小车、视觉、决策和无线通信四个子系统。其中无线通信系统是衔接主机和底层机器人不可缺少的环节。它必须保证从主机端到机器人底层之间的数据传送可靠性，从而使得机器收稿日期：作者简介：周军（1961-），男，博士研究生，副教授人比赛能够顺利流畅进行，同时要求无线通信系统必须要有抗干扰能力强，功

5、耗小，传输速度快等特点。基于现有Mirosot 11:11足球机器人系统在数据传输出现的数据量大，误码率高的缺陷，我们提出了一种基于nRF2401的高速无线通讯系统。1nRF2401介绍nRF2401是NORDIC 公司的一款工作于2.42.5GHzISM 频段的真正单片射频收发芯片，它采用优化的GMSK 调制解调技术，125个频道可变，最高速率可达1Mbps ，高于蓝牙，内置硬件CRC 电路及多点通讯控制，特别适合FIRA 点对多点无线通讯。它所有的参数（包括工作频率和发射功率）都可以通过软件编程设置。它的工作电压范围为1.93.6V ，功耗很小，在5dBm 的发射功率下，工作电流只需10.

6、5mA ，接收时的电流只要18mA 。图1可以看出nRF2401芯片的用户接口，QFN245x5引脚封装，仅需少数几个元件就可以使用，在足球机器人小车的设计中，可以节省空间，同时，高度集成还能提高芯片的抗干扰能力，保证通讯的稳定可靠。 工作模式通过引脚PWR_UP、CE 、CS 来控制。表 1给出了工作模式与信号设置的对应关系。值得指出的是，收发模式可分为两种模式:ShockBurstMode 和Direct Mode 。ShockBurst 技术使TM TM 用片内的先入先出堆栈区，使数据能从MCU 低速输入，但高速发射出去(1Mbps，可以节省能耗，这样，使用低速的MCU 也能实现很高的射

7、频数据发射速率。与射频协议相关的高速信号处理都在片内进行，在提高抗干扰性能的同时，降低系统的能耗。在ShockBurst 模式下，数据的收发采用如表2的数据包格式。TM 模式PWR_UPCE CS 收发110配置101空闲100关机XX 节大小为：DATA_W(bit =256ADDR_WCRC 。在ShockBurst 模式下可以增加CRC 校验位，接受数TM 据时会自动把CRC 校验位移去。因此，我们在使用时采用了它的ShockBurst 模式，下文就把重点放在TM ShockBurst 模式的介绍上。nRF2401在配制模式下，通过由CS ，CLK 和DATA 组成的3线接口将控制参数锁

8、存到内部配置单元的寄存器中。在ShockBurst 模式下，有15字节的寄存器需要配置。通过DATAx_W声明数据包中数据TM 占用的位数，使nRF2401能够区分出数据段和CRC ；ADDR_W声明数据包中地址段所占用的位数，DATAx CRC 寄存器使nRF2401产生CRC 校验码和解码，同时声明数据包中CRC 的长度，可以是1个或2个字节。RX2_EN为两个通道接受使能标志位；CM 为通讯模式选择位（Direct 或ShockBurst 模式）；RFDR_SB为射频波特率设置位；XO_F晶振频率设置；TM RF_PWM为射频输出功率；RF_CH#频道设定；RXEN 为发射或接收选定。2

9、系统的设计与实现在比赛过程中，摄像头采集过来的视频信号经过专家决策系统决策后得到控制小车用的数据信息，不同的小车通过不同的地址来识别数据信息，无线通信系统就是将这些数据信息及时准确的发送到场上的每一个机器人小车。发送端主要用C8051F015单片机来实现对发射机的控制，计算机通过串行口发送数据，经过nRF2401无线通信模块将数据发送出去。C8051F015单片机是Cygnal 公司推出的一款高性能的8位单片机，它是完全集成的混合信号系统级MCU 芯片，具有与8051兼容的高速CIP-51内核，与MCS-51指令集完全兼容。运算速度可达25MIPS （时钟频率为25MHz 时），工作电压2.7

10、V3.3V，功耗低。数据由PC 机的串口发送出来，故使用MAX232电平转换将EIA/TIA-232-E电平转换为5V TTL/CMOS电平，C8051F015接收来自串口的数据后，发往不同地址（不同的队员）的收发模块，实现点对多点的数据传送，示意图如图2所示。（发射模块发送拥有不同地址的数据信息给小车（每个地址对应一个车号，小车只有接收到与他的地址（车号）相同的数据信息时，才认为是有用信息并接受） 从图中可以看出，C8051F015的P0.1被软件配置为RX 口接收来自PC 机的数据信号，通过对nRF2401的初始化，使它工作在发射状态，ShockBurst 模式，定义数据包格式，同时通过C

11、E 、CLK 和DATA 三TM 线接口将数据以1Mbps 的速度发射出去，实现数据的发送。当系统复位时，C8051F015首先要对单片机和nRF2401进行初始化，以便使nRF2401通讯协议与接收端的通讯协议一致（包括相应的频道、通道、输出功率、时钟频率和工作模式等），这样才能保证通讯的正常进行。当C8051F015串口接收完一个字节的数据后就产生中断，在中断服务子程序里面实现对nRF2401的数据发送（先把），nRF2401对数据进行封装，添加PREAMBLE 和CRC 校验，然后将数据包逐一发出。程序流程图如图3所示。 （C8051F015首先要对单片机和nRF2401进行初始化（包括

12、相应的频道、通道、输出功率、时钟频率和工作模式等）|CE 高电平，串行装载数据，MCU 向NRF2401传送数据|加上尾部的CRC （校验）|CE 置低电平，激活ShockBurst 发射模式|加载数据头PREAMBLE （校验）|发送封装的数据包）2.3 接受端的软硬件设计 在接收端，nRF2401 被配置为与发射端一样的通讯协议，接收来自发送端的数据，然后通过两个通道 中的一个通道的 CE、DR、CLK 和 DATA 引脚把数据传送到接收端的 MCU 里去，数据的传送采用普通的 I/O 口来模拟，完成数据的接收，程序流程图如图 4 所示。 初 始 化 N O D R=H I G H YES M C U产 生 中 断 从 n R F2 4 0 1 移 出 数 据 N O 寄存器是否为 空 YES D R=L O W 图 4、接收端程序流程框图 3 总结 本文详细介绍了基于 nRF2401 的足球机器人无线通信系统的实现。经试验证明，采用 nRF2401 无线 射频通信芯片和高性能