1. 研究目的与意义
进入二十一世纪后，无线数据通讯技术在我国蓬勃发展，也得到了信息产业部以及各行各业的高度重视，因为任何有线数据传输网络只能是网状覆盖，而无线数据传输网可达到真正的面覆盖。目前主要的短距离无线数据传输技术主要有蓝牙、zigbee、ieee802.11x、微功率短距离无线通讯技术[10]，与已具备相当规模的无线长距离通讯网络（比如蜂窝移动通讯网、卫星数据通讯）相比，短距离无线通讯系统在基本结构、服务范围、应用层次以及通讯业务（数据、话音）上，均有很大不同。下面分别介绍这几种无线传输技术。 蓝牙技术（bluetooth）主要面对网络中的各种数据和语言设备，通过无线方式将它们连接起来，从而方便快速的实现数据传输，它使用2.4ghz的ism频段，最大传输率1mbit/s ；ieee802.11x的技术标准是无线局域网的国际标准，也是用2.4ghz的ism频段，协议主要在osi的物理层和数据链路层，虽然传输速度快，但此类设备比较昂贵，技术复杂；zigbee是一种新型的短距离、低速度、低功耗无线网络技术，是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术，基于ieee无线个人区域网标准，数据传输速率通常为10kb/s到250kb/s，有效覆盖范围10到75米，由于其协议简单、成本低、网络容量大等优点，使其在无线传感网络中得到广泛的应用。 在未来，短距离无线数据传输将向着更高传输速率、更高传输精确度的方向发展，而且传输设备的成本也会进一步降低，传输协议也会进一步简单，从而是短距离无线通讯走入我们的生活，给我带来更多方便。nrf24l01是一个高速2.4g无线收发模块，具有传输速度按快、功耗低、体积小等一系列优点。nrf24l01是单片射频收发芯片，工作于2．4～2．5 ghz ism频段。工作电压为1．9～3．6 v，有多达125个频道可供选择。可通过spi写人数据，最高可达10 mb／s，数据传输率最快可达2 mb／s，并且有自动应答和自动再发射功能。和上一代nrf2401相比，nrf2401数据传输率更快，数据写入速度更高内嵌的功能更完备。芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融进了增强式shockburst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以一6 dbm的功率发射时，工作电流只有9 ma，接收时工作电流只有12．3 ma，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。并融合了增强型shockburst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
nrf24l01 芯片具有两种通信模式： 直接模式（directmode）和突发模式（shockburs mode）。直接模式的使用与其他传统射频收发器的原理一样，需要通过软件在发送端添加校验码和地址码，在接收端判断是否为本机地址，并检查数据是否传输正确。突发模式使用芯片内部的先入先出堆栈区，数据可从低速微控制器送入，高速发射出去，地址和校验码由硬件自动添加和去除。这种模式的优点是：① 可使用低速微控制器控制芯片工作； ② 减小功耗； ③ 射频信号高速发射， 抗干扰性强； ④ 减小整个系统的平均电流。因此使用nrf24l01 芯片特有的突发模式，可以提高系统整体的性能和效率。
nrf24l01的工作过程大致为：发射数据时，首先将nrf24l01配置为发射模式：接着把接收节点地址tx_addr和有效数据tx_pld按照时序由spi口写入nrf24l01缓存区，tx_pld必须在csn为低时连续写入，而tx_addr在发射时写入一次即可，然后ce置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据;若自动应答开启，那么nrf24l01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号（自动应答接收地址应该与接收节点地址tx_addr一致）。如果收到应答，则认为此次通信成功，tx_ds置高，同时tx_pld从tx fifo中清除;若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(arc)达到上限，max_rt置高，tx fifo中数据保留以便在次重发;max_rt或tx_ds置高时，使irq变低，产生中断，通知mcu。最后发射成功时,若ce为低则nrf24l01进入空闲模式1;若发送堆栈中有数据且ce为高，则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且ce为高，则进入空闲模式2。 接收数据时,首先将nrf24l01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和crc时，就将数据包存储在rx fifo中，同时中断标志位rx_dr置高，irq变低，产生中断，通知mcu去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若ce变低，则nrf24l01进入空闲模式1。
2. 研究内容和预期目标
本课题的任务是设计用nrf24l01为核心组成的点对点双向高速无线传输系统。通过自动调整对nrf24l01的配置，控制从属模块，先接收主控模块发送过来的数据指令，接收完之后，再将相关的数据信息发送给主控模块，之后从属模块在进入接收模式，主控模块进入发射模块，从属模块再接收主控模块发来的数据，从而实现两个无线模块之间的双向数据传输功能。主要研究内容有：1.研究nrf24l01模块的工作过程，设计方法以及控制模块。2研究nrf24l01的接口协议， 3. nrf24l01的控制模块。4.fpga作为控制器件的方法。5. spi协议及工作原理分析，6.显示功能的实现。
预期目标：完成基于nrf24l01无线模块的双向收发电路一套，完成基于fpga控制的nrf24l01无线模块的双向数据收发从属模块的verilog hdl源代码一份。并设置从属模块向主控模块发送的数据为8个字节，设置主控模块向从属模块发送的数据为4个字节，完成数据的双向传输。
3. 研究的方法与步骤
本课题采用的研究方法首先是进行查找相关参考资料，了解nrf24l01无线模块的工作流程。设计用于双向数据传输的从属nrf24l01模块的基本工作流程。采用verilog hdl设计从属nrf24l01模块的双向收发的控制模块并进行仿真，之后用fpga作为控制器件编写所需要的程序并在硬件电路上进行调试。
基本步骤为：1.首先在网页上进行查找资料，仔细阅读有关nrf24l01模块的使用手册。
2.之后研究接口协议，研究nrf24l01发送的配置过程，从属模块自动转换的过程。
3. 用fpga对程序进行不断地修改和调试，最终写出一份完整的程序。
4. 参考文献
[1] nrf24l01中文资料，讯通科技，2005
[2]李莎，谭永丽，基于nrf24l01的无线数据传输系统设计[j].武汉大学，2011
[3]丁媛媛，基于nrf24l01无线双向通信系统设计[j].烟台职业学院，2012
5. 计划与进度安排
第1周~第3周：有针对性的学习课题相关资料,学习cpld/fpga的工作原理和主要性能，熟悉掌握应用软件进行程序设计，设定实验方案，撰写开题报告。第4周~第7周：初步编写试验程序，利用计算机中的电路仿真软件进行相关仿真工作。
第8周~第10周: 进行电路制作及程序设计，并不断进行改进和完善，完成主设计内容。
第12周~第14周：开始写论文，整理数据。在论文写作过程中，总结经验，并继续进行实验完善工作。
