C51RF系列工具 在家建立无线单片机开发平台

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使用C51RF系列工具 

 在家建立无线单片机开发平台 

                   作者 无线龙   2007/01/07    发布 

                    

一、电子工程师开发无线通讯产品面临的挑战 

    对较少接触高频设计的电子工程师而言，要快速完成一个具有无线通讯接口的系统开发/设计是一件具有挑战性的工作，这是因为： 

    1/高频系统工作在300MHZ –2.4GHZ 的高频频段，对线路板设计，元件选择要求更严格； 

    2/高频设计需要工作在GHZ 的无线测试设备，价格昂贵；而没有这样的设备，很难直观地观察系统工作状态； 

    3/微处理器和其他数字电路对高频电路的相互干扰； 

    4/无线通讯在空气中，容易被干扰，需要一系列软件处理，包括纠错，防止碰撞，通讯协议处理等等，而开发这些软件，需要大量时间和经验。 

    5/需要了解无线网络协议的原理,网络拓扑算法等; 

    但是，射频SoC 单片机 (简称无线单片机)的出现，为不具备无线通讯经验和高频电路经验的电子工程师，提供了非常简单的解决方案。这是因为： 

    1/专门的设计，将全部的高频部分电路集成到了电路内部，从无线单片机到天线之间，只有简单的滤波电路，系统设计者完成不必进行任何高频电路设计； 

    2/采用特殊设计，使8051 的微处理器和高频线路间，实现完美的配合，数字电路对高频通讯的影响减低到最小； 

    3/设置了高频通讯的若干寄存器，将高频通讯的处理，简化为对寄存器的简单操作处理，即你只需要对这些寄存器进行操作，就可以轻松完成无线通讯功能。 

    4/无线网络的各种拓扑和网络通讯协议,都可以通过设计C语言的程序来完成; 

    综上所述，采用无线单片机进行无线通讯设计，是开发低成本、低功耗无线通讯应用系统的理想方案之一。进行无线单片机开发工作,和开发传统的单片机和嵌入式应用一样,你也必须有自己的编译环境,硬件仿真器,DEBUG工具等无线开发工作平台。 

    下面就举例说明如何使用C51RF系列(详情请关注：www.c51rf.com )无线单片机开发工具，建立一个自己的无线产品开发平台，快速完成一个无线应用产品的开发工作。 


    二、需要的设备和必要条件 

    在无线开发先进的国家，例如美国，开发无线产品的实验室投资都非常巨大，动辄几十万美元，几百万美元也很常见，这是因为美国的高频工程师年薪很高，10 多万美元很常见，所以，需要提供较高水平的开发设备来缩短开发时间，减低开发成本，同时，无线开发所需要的高频设备，如高频示波器，频谱仪，高频信号发生器，都非常昂贵，还有专门的信号和无线协议分析仪等，价格更是“天价”;在国内，一般中小企业都很难有条件投资这样的实验室，更不用说是普通的电子工程师了； 


    但是随着技术的进步，特别是集成电路的发展，开发低成本无线芯片的厂家，采用片上系统的办法，对高频电路进行了大量集成，诞生了无线单片机这样的产品，使普通工程师可以通过很少的投资，在实现在自己家里建立一个属于自己的无线产品开发工作室，在家里从事无线产品的开发工作的梦想. 


    建立这个实验室需要的必须条件是： 

    1/一台PC 机，能运行WINDOWS 98，2000，XP，任何中文/英文板本，10G 以上的硬盘，普通光盘驱动器，一个串口，一个USB口,电脑工作频率500MHZ 以上就可以；不必很新的电脑，一台旧电脑工作也没有问题。 

2/一台C51RF-2 型或C51RF-3 型无线单片机开发系统，或C51RF-S3000/S3100无线教学开发系统,或其他C51RF系列开发系统  (通过www.c51rf.com 你可以立即买到这些开发系统的现货)，     

 你只需要简单的将开发系统通过串口或USB接口连接到你的电脑，同时，将仿真电缆连接到无线单片机目标板,你就可以立即开始你的设计开发工作； 

    3/ KEIL 或IAR C51 开发环境(网上可下载)。 

4/一个万用表; 

其他选项是: 

5/ Protel 99/SE/DXP 等电路板设计软件(网上可下载)，根据C51RF 开发系统提供无线模块的样板高频参考设计，你可以很容易的设计你自己的无线电路板。 

    6/一台示波器，观查无线单片机的低频数字信号。 

7/在最近的将来，会有很多为无线单片及配套的低价格无线测试仪器.无线协议分析仪器，满足你进一步的高级需要。 


三\如何选择适合自己的无线单片机开发工具和平台？ 

         3. 1/ 根据你的应用需要，选择合适的无线单片机开发工具 

 如果你的应用主要要求是成本的考虑，而且应用比较简单，如：设计一个简单的遥控器产品，包括遥控一个窗帘，灯的开关，简单的点对点数据传输，遥控门铃，无线电子显示牌，无线键盘，无线滑鼠，无线游戏手柄等，高频系统工作在300MHZ –2.4GHZ的高频频段，你可以选择采用比较成熟和价格低廉的NRF9E5/NRF24E1/CC1010无线单片机芯片和价格较低C51RF-2/4系列仿真器和开发工具；如果你采用MCU+RF的技术方案，你可以采用cc1100/cc2500/NRF2401/NRF905等无线芯片和无线龙S3000 (8051处理器+RF芯片)开发平台或无线龙S3100(C8051F310/314处理器+RF芯片)。 

如果你的应用比较复杂，有较多的节点共同工作，需要有比较复杂的网络拓扑进行连接，如超级星状网络，树状网络，网状网络等，或者需要兼容802,15.4国际短距离无线通讯标准，应用系统包括：井下人员安全系统，高精度实时定位系统，大容量无线传感器网络，数字家庭系统，集装箱跟踪系统，RFID系统，符合802.15.4标准的无线网络家电产品，无线安全系统等等，工作在高于2.4GHZ的高频频段，你可以选择C51RF-3 CC2430/CC2431 ZIGBEE/802.15.4系列仿真器和高级无线单片机开发工具和开发平台。 

如果你的应用是要求非常小的体积，比较简单的网络拓扑，非常快的发时间，无线节点数量比较上，一般小于6个；应用包括：无线手表，无线运动器材，医学微型传感器，你可以采用NRF24AP1/NRF24L01等无线网络芯片和无线龙S3000 (8051处理器+RF芯片)开发平台。 


         3.2/ 根据自己的知识水平和技术基础选择无线单片机开发平台 

对较少接触高频设计的电子工程师或对单片机本身也缺乏基础的工程师和大学在校生而言，要快速完成一个无线通讯系统开发/设计是一件具有挑战性的工作，要对应这个挑战，需要有一个逐渐学习过程和有一定的实验设备和测试环境；无线龙通讯公司全面考虑到了这些需要,所以,设计了工作适用于不同层次基础的单片机/无线单片机开发工具供你选择: 

  如果你没有单片机的基础,对基本的8051单片机不熟悉,你可以选择从C51RF-S3100开始,该系统是将学习单片机和学习无线通讯和为一体,从单片机到无线通讯一气贯彻,你使用一套平台,可以同时完成单片机的学习和无线通讯的学习; 

 如果你是第一次接触无线单片机技术，你可以选择从低价格的C51RF-2/4系列无线单片机开发系统入手，使用已经出版和正在陆续出版的无线龙通讯公司和北航出版社合作出版的<无线单片机技术系列丛书>配套教材，动手实践如何进行简单的无线通讯，开发简单的无线实际应用，对高频电路，无线通讯原理，硬件和软件中可能出现的问题，如何用软件编程去解决数据通讯中的实际问题等等，有一个完整的认识和经验；然后在开始更复杂的无线网络的设计开发。 

对于在这方面已经有丰富经验，而且产品开发需要在无线网络方面进行设计，可以直接选择C51RF-3-BK/PK ZIGBEE/802.15.4系列仿真器和开发工具和开发平台。 

        3.3/根据自己的经济能力,选择适合自己的无线单片机开发平台 

       学习单片机技术和无线技术,建立无线单片机开发平台,对应许多经济能力较差电子工程师和在校大学生,研究生等,价格问题是必须考虑的问题,目前市场上这方面的工具很多,原则上价格越高,功能也会越强,开发也就更方便;但是低价格的开发工具,也同样可以达到学习实践的目的,成都无线龙通讯公司考虑到这些实际需要,特别开发出一系列超低价格的无线单片机开发工具,这些工具含盖基本的短距离无线通讯,也含盖超低价格的ZIGBEE/802.15.4 无线网络开发工具; 

   3.3.1/C51RF-3-ZDMS经济型无线ZigBee经济型网络学习系统; 

    该系统以Microchip的PIC高性能单片机系列为基础，使用CC2420射频芯片作为ZigBee射频收发,基于MPLAB集成开发环境（IDE）及MPLABC18C/PIC18C编译器，该编译器支持微星(1.0-3.5版本)的ZigBee全开放源代码协议栈。 支持精简功能器件（RFD）及全功能器件（FFD）、模块化软件设计，采用协同式多任务架构。 

    C51RF-3-ZDMS无线ZigBee学习系统包括：  

    二个2.4G的ZigBee模块(CC2420+PIC)；  二个开发底板；  二根2.4G普通天线；  一根串口线；  一个电源；  一个开发光盘(包括系统说明书，ZigBee协议栈源代码等) 全套ZigBee系统个人购买目前优惠价:  999元/套 

             3.3.2/C51RF-2/4 无线单片机开发系统. 开发CC1010/NRF9E5/NRF24E1, 目前也在优惠价格面向个人用户销售中; 

             3.3.3/C51RF-S3000系统,价格也仅仅几百元人民币; 

            也就是说,你只有花几百元人民币,加上你自己家里的电脑,你就可以跨上学习无线,驾驭无线的征程,在家学习无线通讯的知识和原理; 

            许多电子工程师/单片机工程师在熟悉8位单片及技术后，开始自己学习ARM等32位单片机技术，也自己花费多达几千人民币购买ARM开发工具，在家建立自己的ARM开发平台；其实，从电子/单片机技术发展的眼光来，单片机从8位到32位的的发展，主要是在运行速度上的量的改变，而单片机的无线化和无线网络化集成，才是单片机在质的方面的飞跃，如果从技术发展眼光看电子工程师应该朝那方面进一步发展的话，学无线应该比学ARM更重要，更紧迫。 

            

           3.4/根据相应的教材,选择适合自己的无线单片机开发平台 

           学习无线单片机技术和无线通讯.无线网络技术,你也需要合适的教材; 

           你可以直接读无线单片机的各种数据手册，也可以在网络上看看有没有也可以看看有没有象《短距离无线数据通讯的入门和实战》这样类似的无线通俗读物，可惜目前这类实用的无线书籍太少了，希望我们的大学教授们，多出一些实用的书籍，目前书店的无线类书籍大多是理论，各种复杂的计算公式，让人看起来非常吃力。但如何去象开发单片机一样，实实在在的做程序，做电路板，去调试。测试，最后做一个实际的无线产品，在这些书籍中很难发现，而这才是我们电子工程师最需要的东西。 

          你可以选择成都无线龙通讯科技公司和北京航天航空大学出版社共同合作的无线单片机丛书，日前推出丛书第一本《短距离无线数据通讯的入门与实战》，（书号：7-81077-942-7 ）目前已经在全国新华书店出售； 

       这套无线单片机系列丛书以分别以目前世界上广泛应用的无线片上系统(SoC) NRF9E5、NRF24E1、CC1010、CC2420/CC2430/CC2431/CC1110/CC2510等最新无线片上系统(SoC)和 NRF905、NRF2401,CC1100、CC2500等最新无线芯片为中心，介绍无线通信关键技术FDMA、TDMA、CSMA、FHSS等基本原理和从点到点、点到多点，到网状无线网络无线网络的基本原理； 

       该丛书的主要特色是有很强的实用性，即通过让你自己动手进行大量的无线通信和无线网络的项目试验。让读者体验什么是无线通信，什么是无线网络，如何进行无线通信，如何自己动手组建一个低成本、高效率的无线网络…… 

       该从书还包括了无线双向遥控器、长距离RFID系统、家庭安全监视系统、无线传感器、无线温度远程监控、无线RF232、无线网络病区监视，井下无线定位系统等大量无线SOC和无线网络的实际应用项目的设计范例； 

      该系列从书的第二、三本将于近期陆续出版发行,其他本也将陆续出版; 

       使用这套丛书作为教材,结合C51RF系列开发工具,模块,将回使你更加人员的入门单片机和无线单片机的大门,使你的无线单片机学习之旅,更加容易和轻松; 


         

        



     四、使用无线单片开发平台实例之一 

    4.1  使用C51RF-2进行评估 

    评估无线单片机芯片如果你计划开发一个无线传感器的产品，需要采用无线单片机来实现温度信号的采集，用每个无线单片机作为一个无线节点，每个节点工作在电池供电的状态，希望电池寿命为2-3 年，几十个无线节点间通过无线网络协议进行通讯，最后传输到PC 机中，进行分析处理(这个系统可以用于环境、工厂、农作物长期温度监控等应用)。 

    为了开始进行系统设计，你必须了解和选择确定哪种无线单片机适合，通过上网查询，目前无线单片机有许多种，但你希望选择我们熟悉的8051内核的单片机，因为我们熟悉keil 的C51，同时熟悉8051 的结构。8051 兼容的无线单片机目前全世界共有4 种，但主流的是chipcon 公司的cc1010, Nordic 公司的nRF24E1/nRF9E5。 

    通过查阅资料，你发现这三种无线单片机各有自己的特点，chipcon 公司的cc1010 有32k 存储器，三通道A/D 转换器，可以工作在300-1000mhz, 最小的功率消耗仅0.2uA；Nordic 的nRF24E1 工作在2.4GHZ，nRF9E5 工作在433MHZ 和868-930MHZ. 

    虽然Nordic 的无线单片机存储器较小，只有4K，但由于采用较好的电源管理方式和快速的SHOCKBURST 技术，且价格较cc1010 低一些。虽然，三种无线单片机都可以用在你的系统，但你没有亲自接触过这三种无线单片机，你不好简单下结论，你希望能对三种无线单片机进行测试， 

    由于你的开发系统，已经同时选购了cc1010/nRF24E1/nRF9E5 三种参考设计模块，所以你很方面进行这项工作。 

    你将cc1010 的参考设计模块通过10 线电缆连接，接通5VDC 电源，将开关设定到cc1010 位置，简单的按下无线单片机开发系统DB 键，便可以在KEIL 下下载厂家提供的评估测试软件，进行实际无线通讯，通讯距离测试。完成cc1010 测试后，你只需要更换连接到nRF24e1/nRF9E5 目标系统，切换开关，就可以快速开始对nRF24e1/nRF9E5 芯片评估测试。通过测试，你对三种无线单片机有了具体的认识，对其通讯距离，通讯速度，软件结构，功率消耗，外围接口等有了直接认识，考虑到你设计的无线网络通讯，需要较大的存储器来存储程序代码，而且chipcon 提供了两个无线通讯软件的C51 源代码库，同时已经提供了连接层的无线通讯协议C51源代码，方便你进行网络层软件设计，所以，你选择cc1010 来设计你的温度无线传感器网络。 

   4.2/具体设计温度无线传感器网络软件 

    你直接采用C51RF-2(详情请关注：www.c51rf.com)提供的参考设计电路板，进行软件开发，cc1010 板上已经有温度传感器电路，同时，有电池连接接头可以直接连接电池供电；也有串口电路可以和PC 通讯。 

    作为网络通讯的一种方案，你的系统每一个温度传感器节点，在随机的时间间隔里通过A/D 转换器得到对应的温度信息，并将温度信息广播出去，然后转入监听状态，如果收到其他节点的广播，也自动进行记录和转发，最后的信息汇集到连接PC 的节点，记录、显示所有节点的温度信息。开始你的软件开发，你并不需要        从头开始，你在keil 下，打开chipcon提供的样板工程文件，选择温度广播，你看到该样板工程文件已经包含了culLib/halLib 两个完整的无线通讯库文件(也提供了这两个库的源代码)，这两个库提供了所有无线通讯需要的功能，你的程序只要包括这样的语句： 


#include <chipcon/hal.h> 

#include <chipcon/cul.h> 


    你的软件就可以在这个库的高级的水平上开始即可，举例说明：你需要发送一个包，包括序言，通讯标志，地址，数据，CRC 效验等，你只需要下列两行语句，便全部完成了！ 


// Transmit the temperature 

sppSend(&TXI); 

do { /*nothing*/ } while (sppStatus() != SPP_IDLE_MODE); 


    你需要接收一个包，包括序言，通讯标志，地址，数据，CRC 效验等，你也只需要下列两行语句，便全部完成了！ 


// Receive the packet (if any) 

YLED = LED_ON; 

sppReceive(&RXI); 

do { /*nothing*/ } while (sppStatus() != SPP_IDLE_MODE); 

YLED = LED_OFF; 


    具体的无线发送/接收，无线自动应答等复杂功能，通过调用两个库自动完成了。 

    更重要的是，在温度广播这样类似的样板中，全部高频部分的初始化，包括cc1010 初始化，也全部现成，而且分成了你可以方便选择使用的频带433/915 

/868MHZ，在样板程序中，还包括了无线收发所有的配置，即使你对cc1010 高频部分结构不十分清楚，你也可以照样容易地进行上层软件开发。你要做的只是调用功能库就可以实现无线通讯了。你的温度无线传感器网络软件设计，只是直接在样板程序工程文件的基础上，进行了简单的修改，很快就完成了。 

     

    4.3快速调试查错，发现无线通讯中的问题 

    软件设计完成后，你通过C51RF-2 开发系统的10 线电缆，连接到cc1010 目标板(我们的温度无线传感器网络节点)，使用KEIL UV2 的开始DEBUG 功能，程序立即进行下载，并可以直接针对目标系统cc1010 进行单步、断点、实时全速运行；如果有两台开发系统，便可以直接分别在两台PC KEIL 环境下，监视不同节点的实时无线通讯状态。在KEIL DEBUG 的屏幕上，你可以看到所有的CC1010 内部寄存器都可以实时被观察到，特别是无线通讯相关的高频寄存器，都可以观察到寄存器的变化，这其实是在动态观察高频部分的实际工作情况。 

    如果需要，你可以在程序执行的任何位置设置断点，或在断点后单步跟踪，以发现在无线通讯中的软件和硬件故障。例如：其中一个节点没有定时发出自己的温度信号，我们立即在相邻的节点进行软件跟踪，在高频中断程序设置断点，观察RF 寄存器的变化情况，你发现问题是在相邻节点根本没有收到相应的数据包，你跟踪没有发出信号的故障节点，却发现已经发送了包，检查线路板，发现天线部分有问题，更换后，问题解决。通过开发系统的软件运行跟踪，你成功的避免了购买昂贵的高频仪器设备，用你家里的无线通讯平台，照样完成了高频无线通讯的功能；也成功地将无线通讯转变为只是在软件方面进行设计工作。 


    4.4快速完成产品开发 

    温度无线网络传感器网络软件在开发系统上完成稳定运行后，软件代码已经存放在目标模块的cc1010 内存中，只需要拔下仿真电缆，接上电池，就可以方便地进行无线通讯的距离测试，低功率消耗测试，多节点通讯无线通讯测试等。无线测试工作完成后，你依照参考设计模块的电路板布线，设计了你自己的电路板，安装零件，使用c51rf-2 附带的光盘，快速下载产品化的软件，同时对cc1010 软件代码进行全部加密，你的无线温度传感器网络产品开发便全部完成了。 

    4.5 开发实例小结 

    回顾开发的全部过程，虽然你缺乏高频无线通讯方面的经验，但开发系统和无线单片机弥补了你无线方面/高频方面经验的不足，清除了无线开发工作中硬件和软件中的门坎和障碍，使你这个完成没有太多无线经验的的电子工程师可以快速地在自己的设计中增加无线通讯的功能了。