nRF2401的调试过程

经过这几周的努力，nRF2401的原始样机调试基本完成了，指标到达了预期目标。灵敏度很高，在-20dBm的发射功率下，可以达到10米左右的距离；在0dBm的功率下，可以超过40米。整机平均功耗很低，平均工作电流约10uA（与工作时间的占空比有关）。下面将介绍调试过程中遇到的一些问题和解决过程，希望这些可以对初学者有所帮助。因为这是目前正在开发的一个系统，所以代码和原理图就不能公布了，这里只描述一些调试过程中的关键点，这应当也足够了。开发环境：AVRStudio+WinAVR+SLISP硬件环境：ATmega88V+AVRDragon+自制并口下载线先调试发射部分（因为以前有一套用nRF24E1做的系统，但是功耗太大，没有实用化，但是正好可以用来调试），nRF2401的数据手册很简洁，很快就看完了。但是它只有C51的例程，没有其他单片机的。开始以为移植起来很容易，就直接写程序了。结果运行后，没有任何效果，就是说发出的数据不对。仔细对照C51的例子程序，没有发现有什么区别啊。最后检查，逐步缩小范围，感觉问题可能在SPI部分。AVR的SPI支持4种工作模式，区别在于时钟和数据的时序不同，习惯上使用方式0的最多，而我当时随便选了方式3，修改了SPI的工作模式就正常了。发射部分可以工作了，但是新做的接收部分收不到数据。而接收部分和发射部分的电路基本相同的，只有部分地方不一致。将发射的程序写入到接收板，可以正常发出，说明电路没有问题，还是程序有问题。反复对比C51的程序，终于发现是没有将CE设置为高引起的。因为这个接收程序是从发射程序修改而来的，而发射程序只是定时发射一下，然后就进入Standby状态，平时将CE和CS都置低了。从这里还发现nRF2401的控制和一般芯片不同，一般芯片习惯上是高电平无效，低电平使能，nRF2401是相反的，比较容易造成习惯性错误。接收部分调通以后，又发现了新问题，接收部分取回的数据总是有规律的出现误码，总是每隔几个数据就有一位到2位和实际值不一致。仔细检查程序，没有发现问题，否则也不可能通信连上了。后来想到会不会和SPI的速度有关系，因为只有nRF2401只有SPI和单片机连接，于是尝试将SPI的速度降低为500K（开始用的是1M），读出的数据就正常了（发射部分使用了低频，所以没有这个问题）。为了测试发射部分的功耗，需要测量电路的电流。因为休眠时的功耗非常小，用万用表的电流档无法测量。于是尝试在VCC中串联一个电阻，测量电阻两端的电压来推算电流（I=V/R）。开始串联一个1Ω的电阻，可以看到发射时有10几个mV，但是休眠时测量不出来了。将电阻加大到10Ω，这次好多了，可以测量到休眠时有1mV，也就是大约100uA。在修改程序进一步降低功耗后，又测量不出来了。再次将电阻增加到100Ω，这次读出2.5mV，就是25uA使用电阻串联时，电阻会有一定的分压（100欧姆乘以10毫安有1V），但是我使能了BOD功能也并没有复位，这说明工作时的时间短，电容可以短时间提供工作需要的能量，从示波器上观察也证实了这一点。看来单片机的性能还不错。因为最终需要使用电池供电，需要尽量降低功耗（这里主要是降低休眠时的工作电流，因为工作时的功率是无法减少的）。为了降低单片机的功耗，做了几种尝试（因为我以前做的产品，从来不需要考虑功耗，也就没有用过低功耗模式，只是从数据手册中看过一点）。开始时运行时将单片机的频率不分频，休眠时设置256分频（使用内部8M振荡器），以为运行时高速，休眠时低速可以降低功耗。在使用中发现效果不明显，电流还在mA级。于是改为内部128K振荡器，工作电流明显下降（看来实际频率更重要，内部分频在其他模块没有工作时对功耗影响不大）。因为功率P=V*I，我先想降低工作电压会不会降低功耗呢？看单片机的数据手册上电压降低也会降低功耗的。于是将工作电压降低到2.5V，结果测试的结果和3V是基本没有区别，再降低到2V，万用表的读数也只是最后一位跳动了，也就是说没有什么效果。看来这里因为主要功耗在nRF2401上，而不是单片机上，降低电压没有实际用处，反而会增加麻烦（需要加入降压电路）。为了进一步降低功耗，一开始没有控制nRF2401的PWR_UP端口，不发射时处于standby模式，这样在16M时钟下nRF2401大约有30uA的静态电流（主要是时钟工作的电流）。对于电池供电，这无疑还是太大了。nRF2401还有一个PWR_UP端口，设置为低电平后，就处于休眠状态，时钟也停止了，电流将小于1uA。在控制PWR_UP后，这次测试的数据就很理想了，休眠时的电流小于10uA，万用表无法测量了（读数小于1，1mV/100=10uA）。从理论上计算，单片机大约小于5uA（启用了看门狗定时器），其他部分小于1uA，总共小于6uA，数据比较吻合。如果在考虑每两秒发射一次，每次工作时发射1ms，10mA，等待稳定和其他时间8ms，0.1mA，那么平均电流就是6+10/2+0.1*8/2=11.4，如果使用200mAH的电池也可以工作2年。还有一个问题，开始时我使用AVRDragon的DebugWire仿真（8M振荡器），降低到128K后，没有将程序中设置时钟256分频的代码屏蔽，结果出现了一个严重的问题。因为使用内部128K振荡器后，只能用低速方式下载，在一次仿真不正常退出后（使用DebugWire很容易出现这种现象），想恢复为正常模式（DebugWire使用了Reset，就不能正常下载了），但是却无法联机了。我分析是因为这时单片机还是处于DebugWire模式，RESET引脚的复位功能不起作用了。而这时因为使用内部低频振荡器（还256分频），SPI的速度非常慢，正常方式DebugWire很难连接。因为手头当时没有多余的芯片，于是就尝试反复进入DebugWire模式（因为也没有别的办法了），在大约尝试50次后，终于进入了DebugWire模式，赶紧恢复为正常模式，就又可以使用了。这说明在低速SPI时，连接的成功率很低，大家也要小心这里，否则很可能造成芯片死锁而无法恢复。nRF2401在上电后需要延时3ms才能进行初始化，开始时是使用定时器0做延时，延时基本时间是1ms。后来发现定时器2的分频更多（在128K时钟时128分频后正好是1ms），而且定时器2支持powersave模式下中断唤醒，于是改用定时器2做延时。开始还是正常的，可是后来发现时间不对，大概慢了10倍，找了半天没有发现程序有什么问题，寄存器的设置都是对的，软件仿真时间也正确。突然想到问题是在优化功耗时，加入power_all_disable()后出现，之前没有这个问题。于是将这个代码先注释掉在下载运行，果然时间就正常了。在查看手册中，原来power_all_disable()会将定时器2也关闭，于是在power_all_disable()之后加上power_timer2_enable()，运行定时器2工作，于是就正常了。但是现在还不清楚为什么在power_all_disable()后为什么定时器2还能运行，只是速度慢了很多。×目前还需要进一步测试的地方有：多个发射部分的碰撞处理、有几个可以进一步降低功耗的方法需要实验、更精确的测试功耗。此外，还预备将优化代码，使得移植性更好。