UEAL第1届电子设计大赛第三轮单片机主观题
医院病床呼叫系统
摘要
本系统的主机与从机均以STM32RBT6为控制芯片，主从机间的有线通信使用MAX485，无线通信使用nRF24L01无线模块。主从机之间通过有线或无线的信息交互，最终实现一个主机和两个从机之间的呼叫与应答。
关键字：STM32RBT6 MAX485 nRF24L01
1系统方案
1.1 主控芯片的选择
方案一：选择MSP430f5529作为主控芯片，该型号单片机低功耗功能强大，基本满足本题目从机功耗5mA的要求。但是该单片机主频有限，可能会导致整个系统反应变慢，无法在极短时间内完成主机与从机之间的通信。假如传输语音信号，430单片机可能会出现问题。
方案二：选择STM32RBT6作为主控芯片，该单片机总线时钟可达72MHz，且引脚较多，易于扩展，速度快，符合系统控制要求，但是功耗较大。
综合考虑，我们选择方案二。
1.2 无线通信模块的论证与选择
方案一：使用FST-4模块，该模块成对使用，只能接收或者发送，传输距离远，但是信号传输不稳定，受外界干扰较大，假如在同一个空间之内有较多的电磁干扰，则接收的信号很容易出错。同时，使用该模块需要自行编写通信协议，比较繁琐。
方案二：使用蓝牙模块，该模块数据传输快速稳定，传输距离较远，但是蓝牙模块只能进行单对单的信息交互，无法实现多个从机与主机间的信息交互。
方案三：使用nRF24L01模块，该模块使用SPI通信，数据传输速度可达2Mbps，数据传输比较稳定，距离较远，抗干扰能力较强，并且该模块可支持主机与多个从机间的通信。
综合考虑，我们选择方案三。
1.3 有线通信模块的论证和选择
方案一：使用单片机自带的SCI模块通信，使用该方案的优势是使用方便，无需任何外设，但是由于输出功率限制，信号无法通过5米以上双芯线进行传递，更无法在实际病床呼叫系统中使用。
方案二：使用MAX485驱动芯片，驱动复杂，优点是使用差分线传输数据，所以可以使主从机间的有线通信距离加长，如果硬件处理得当，最远可以实现1.2Km的传输距离，同时连接32个驱动器和收发器。
综合考虑，我们选择方案二。
1.4 系统总体方案
系统实现框图如图1所示。
图1医院病床呼叫系统总体系统框图
系统总体方案及工作原理说明如下：从机通过无线模块nRF24L01或有线模块MAX485对主机进行呼叫，主机接收到后作出响应（蜂鸣器和LED灯），从机在确认主机已接受信号后，也作出同样的响应。主机根据接收到的信号以及接受的时间，对呼叫的从机进行排序，并在OLED上显示出来。
2 理论分析与设计
2.1 nRF24L01工作原理
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中数据保留以便再次重发;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。
2.2 MAX485工作原理
MAX485工作在5V单电源下。采用单一电源+5 V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。
2.3组成方案
根据比赛要求，最终决定方案为：控制芯片采用STM32RBT6，有线通信部分使用MAX485芯片，无线通信部分使用nRF24L01模块，提示部分采用蜂鸣器。
3 电路与程序设计
3.1 电路设计
3.1.1 MAX485工作电路如图（1），供电以及使能部分使用5V电压
图（1）MAX485工作电路
3.1.2 nRF24L01模块工作电路如图（2）
图（2）nRF24L01模块工作电路
3.1.3主板工作电路及PCB如图（3）。
（a）电路原理图
（b）PCB版图
图（3）主板电路及PCB
3.2 程序结构与设计
程序流程图如图（4）所示。
4 测试方案与测试结果
测试结果分析：
当主机与从机间进行无线通信时，随着距离的增大或遮挡物的增多，出现错误的概率会增加，这是因为nRF24L01模块债这些情况下，传输数据的误码率会增大，造成结果的错误。
本项目设计的病床呼叫系统实现了一个主机和2个从机的互相应答，并能够分别实现有线和无线的双向通信，主机能够在极短的时间内回应从机的请求并做出指示，在安全的前提下提高效率。
UEAL第1届电子设计大赛第三轮单片机主观题
医院病床呼叫系统
摘要
本系统的主机与从机均以STM32RBT6为控制芯片，主从机间的有线通信使用MAX485，无线通信使用nRF24L01无线模块。主从机之间通过有线或无线的信息交互，最终实现一个主机和两个从机之间的呼叫与应答。
关键字：STM32RBT6 MAX485 nRF24L01
1系统方案
1.1 主控芯片的选择
方案一：选择MSP430f5529作为主控芯片，该型号单片机低功耗功能强大，基本满足本题目从机功耗5mA的要求。但是该单片机主频有限，可能会导致整个系统反应变慢，无法在极短时间内完成主机与从机之间的通信。假如传输语音信号，430单片机可能会出现问题。
方案二：选择STM32RBT6作为主控芯片，该单片机总线时钟可达72MHz，且引脚较多，易于扩展，速度快，符合系统控制要求，但是功耗较大。
综合考虑，我们选择方案二。
1.2 无线通信模块的论证与选择
方案一：使用FST-4模块，该模块成对使用，只能接收或者发送，传输距离远，但是信号传输不稳定，受外界干扰较大，假如在同一个空间之内有较多的电磁干扰，则接收的信号很容易出错。同时，使用该模块需要自行编写通信协议，比较繁琐。
方案二：使用蓝牙模块，该模块数据传输快速稳定，传输距离较远，但是蓝牙模块只能进行单对单的信息交互，无法实现多个从机与主机间的信息交互。
方案三：使用nRF24L01模块，该模块使用SPI通信，数据传输速度可达2Mbps，数据传输比较稳定，距离较远，抗干扰能力较强，并且该模块可支持主机与多个从机间的通信。
综合考虑，我们选择方案三。
1.3 有线通信模块的论证和选择
方案一：使用单片机自带的SCI模块通信，使用该方案的优势是使用方便，无需任何外设，但是由于输出功率限制，信号无法通过5米以上双芯线进行传递，更无法在实际病床呼叫系统中使用。
方案二：使用MAX485驱动芯片，驱动复杂，优点是使用差分线传输数据，所以可以使主从机间的有线通信距离加长，如果硬件处理得当，最远可以实现1.2Km的传输距离，同时连接32个驱动器和收发器。
综合考虑，我们选择方案二。
1.4 系统总体方案
系统实现框图如图1所示。
图1医院病床呼叫系统总体系统框图
系统总体方案及工作原理说明如下：从机通过无线模块nRF24L01或有线模块MAX485对主机进行呼叫，主机接收到后作出响应（蜂鸣器和LED灯），从机在确认主机已接受信号后，也作出同样的响应。主机根据接收到的信号以及接受的时间，对呼叫的从机进行排序，并在OLED上显示出来。
2 理论分析与设计
2.1 nRF24L01工作原理
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中数据保留以便再次重发;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。
2.2 MAX485工作原理
MAX485工作在5V单电源下。采用单一电源+5 V工作，额定电流为300μA，采用半双工通讯方式。它完成将TTL电平转换为RS－485电平的功能。MAX485芯片的结构和引脚都非常简单,内部含有一个驱动器和接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与单片机连接时只需分别与单片机的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件处于接收状态；当DE为逻辑1时，器件处于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需用单片机的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端,当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在与单片机连接时接线非常简单。只需要一个信号控制MAX485的接收和发送即可。同时将A和B端之间加匹配电阻，一般可选100Ω的电阻。
2.3组成方案
根据比赛要求，最终决定方案为：控制芯片采用STM32RBT6，有线通信部分使用MAX485芯片，无线通信部分使用nRF24L01模块，提示部分采用蜂鸣器。
3 电路与程序设计
3.1 电路设计
3.1.1 MAX485工作电路如图（1），供电以及使能部分使用5V电压
图（1）MAX485工作电路
3.1.2 nRF24L01模块工作电路如图（2）
图（2）nRF24L01模块工作电路
3.1.3主板工作电路及PCB如图（3）。
（a）电路原理图
（b）PCB版图
图（3）主板电路及PCB
3.2 程序结构与设计
程序流程图如图（4）所示。
4 测试方案与测试结果
测试结果分析：
当主机与从机间进行无线通信时，随着距离的增大或遮挡物的增多，出现错误的概率会增加，这是因为nRF24L01模块债这些情况下，传输数据的误码率会增大，造成结果的错误。
本项目设计的病床呼叫系统实现了一个主机和2个从机的互相应答，并能够分别实现有线和无线的双向通信，主机能够在极短的时间内回应从机的请求并做出指示，在安全的前提下提高效率。
