刘红光，路瑞军，赵艳，李元耀，张欣
（天津市计量监督检测科学研究院，天津300192）
摘要：nRF24L01是Nordic公司推出的一款工作在2.4～2.5 GHz世界通用ISM频段的新型高速无线收发器芯片，在中短距离无线通信领域应用非常广泛，其参数配置、模式转换、数据收发等操作都是通过SPI总线完成的。采用硬件的方法，实现了通信系统真正意义上数据收和发的同时进行，提高了数据传输的实时性。通过实验证明，基于FPGA的无线通信系统数据，传输效率高、性能稳定、可扩展性强，具有很高的应用价值。
关键字：FPGA；nRF24L01；SPI总线；Verilog
中图分类号：TN926?34 文献标识码：A 文章编号：1004?373X（2015）13?0036?03
收稿日期：2015?01?25
0 引言
在现代工业数据传输现场，有线电缆往往扮演着十分重要的角色，与此同时，也引来了很多有线传输束缚仪器作业的系列问题，因此数据无线通信系统的研制越来越受到关注。nRF24L01芯片是挪威Nordic公司的一款射频收发器件，该芯片的数据传输速率可以高达2 Mb/s。
nRF24L01芯片在提供较高数据传输速率的同时，只需要花较小的功耗，因此该芯片在中短距离的无线传输领域应用十分广泛。芯片的数字传输包括参数配置、模式转换、数据收发在内的操作都是通过SPI接口完成的。在目前的市场上，控制器件在控制芯片收发数据的时候大都采用软件扩展，利用I/O 口通过软件模拟SPI接口进行数据交换。然而这种情况严重影响了无线芯片数据传输的高速性能，制约了无线通信系统的传输速率，类似问题在以单片机控制的无线通信系统里非常普遍，亟待解决。相比较单片机的控制，FPGA 设计SPI总线只要对设计做简单的改动，即可对SPI 总线的数据位数、工作模式等进行扩展，因此基于FPGA 设计的无线通信系统，具有便于修改、可扩展性强的特点。
根据nRF24L01PA芯片的读写时序可以知道SPI主模块的工作模式应该是在CPOL=0，CPHA=0 模式下进行的，本文选用的nRF24L01PA 芯片模块如图1 所示。整体的无线系统包括射频模块、控制模块、SPI主模块、串口模块、计算机。其中控制模块、SPI主模块、串口模块是通过FPGA设计实现的。
1 SPI_Master 模块的设计
图2 为nRF24L01 芯片的引脚功能说明，其中CSN是芯片的输入引脚，作为SPI从机的片选信号，由主机控制输出。SCK为芯片的输入引脚，作为SPI的时钟信号。由此可以知道本文设计的SPI总线接口模块应为主机，nRF24L01的SPI模块为从机。
每当一个周期的SPI发送完成以后，计数器count加1。以此类推，后面7个周期的数据传输过程与第一个周期类似，当全部8位数据传输完成之后，将字节传输完成信号byte_end置1。移位寄存器模块的RTL视图如图4 所示。至此，完成了整个SPI 主模块的设计，在Quartus Ⅱ软件下对SPI主模块进行综合与实现。
2 控制模块的设计
在本文设计中，串口是计算机和FPGA进行数据通信的桥梁。本文的设计中串口模块包括发送模块和接收模块，波特率设计为115 200 b/s（可调），发送的数据帧格式为：１位起始位，８位数据位，无校验位，1 位停止位。上位机是通过串口调试助手进行调试的。通过FPGA设计的nRF24L01控制模块主要工作是控制射频模块，协调SPI 模块和串口模块完成数据的采集和发送。数据的发送和接收流程如图5和图6所示。
3 系统验证
该系统的设计进行了最后的板级验证，使用ModelSim?Altera仿真工具对各个模块进行了仿真，实验证明设计的无线系统工作稳定，数据的传输速率有了明显的提高，达到了预期的目的。如图7所示为基于FPGA实现的无线通信系统实物连接图。其中EP2C5T144C8N开发板、USB转串口模块、nRF24L01PA模块组成通信系统的一端。USB转串口模块负责电脑和开发板的数据传送。
通过计算机向发送端传输1 056 KB 的数据包，数据经过串口模块、控制模块、SPI模块、射频模块发送出去。接收端接收到有效数据后通过串口调试工具在计算机上显示出来，实验证明接收到了1 056 KB数据，数据正确，没有发生掉包现象。另外，nRF24L01PA 模块设计了功率放大电路，经过实验测试在室内的情况下，整个无线通信系统的通信距离能达到15 m，证明该无线系统的实用性很强。
4 结论
无线通信系统实用性强，而高速率的无线收发芯片nRF24L01应用十分广泛，本文是在实际应用的基础上，提出了一种基于FPGA 实现的无线通信系统的设计。经验证该无线通信系统工作稳定、数据传输效率高、可扩展性强，发挥了nRF24L01芯片高速通信的优势。
本文创新点：根据SPI 总线规范，采用硬件的方法扩展SPI接口，用Verilog HDL设计并实现带有移位寄存器的SPI总线模块、nRF24L01PA 控制模块、串口模块，使用仿真工具ModelSim对其进行仿真，并在FPGA上完成了下载与验证。采用EP2C5T144C8N 完成整个系统的控制和数据采集功能，性能大大优于传统的单片机控制数据无线通信系统。该系统具有数据传输速率高、简洁高效、便于修改、可扩展性强、工作稳定可靠等特点，提高了nRF24L01芯片无线数据传输的工作效率，具有较强的实用性。
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作者简介：刘红光（1986—），男，河北衡水人，硕士研究生。研究方向为无线通信与电子测控技术。