無線收發(fā)芯片原理管理論文

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摘要：nRF24E1是集成有2.4GHz無線收發(fā)器、增強型8051、ADC和其它外設(shè)的一款高集成度無線收發(fā)芯片，它體積小，功耗低、所需外圍元件少，并有很大的價格優(yōu)勢，可代替一些場合的藍牙應(yīng)用需求。文中介紹了nRF24E1發(fā)芯片的主要特點、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和引腳功能，最后給出了nRF24E1的無線數(shù)據(jù)包格式和典型應(yīng)用電路。

關(guān)鍵詞：nRF24E1；ISM頻段；藍牙；無線通信；8051

1nRF24E1的主要特點

nRF24E1是北歐集成電路公司（NORDIC）推出的一款帶2．4GHz無線收發(fā)器nRF2401和增強型8051內(nèi)核的無線收發(fā)模塊。nRF24E1適用于各種無線設(shè)備的短距離互連應(yīng)用場合，工作于ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻段。該器件有125個頻點，能夠?qū)崿F(xiàn)點對點、點對多點的無線通信，同時可采用改頻和跳頻來避免干擾。nRF24E1最大傳輸速率可達1Mbit／s，其最大發(fā)射功率為0dBm，在比較理想環(huán)境中，其室內(nèi)傳輸距離可達30～40米，室外傳輸距離可達100～200米。nRF24E1的靈敏度為－90dBm，工作電壓為1．9V～3．3V，工作溫度范圍為－40～＋80℃。

nRF24E1的主要特性如下：

●帶有2．4GHz無線收發(fā)器；

●內(nèi)含增強型8051控制器；

●可工作在低電壓1．9V～3．6V下；

●內(nèi)有電壓調(diào)節(jié)器；

●待機電流可低至2μA，同時器件還帶有喚醒定時器；

●采用0．18μm的CMOS技術(shù)制造；

●所需外圍器件很少；

●設(shè)計簡單。

2引腳功能

nRF24E1采用36腳QFN（6×6mm）封裝，其引腳排列如圖1所示，各引腳功能如下：

nRF24E1有11個數(shù)字I／O引腳，由P0口（DIO2～DIO9）和P1口（DIO0、DIO1、DIN0）組成，除了DIN0只能用于輸入外，其余都是雙向引腳，而且大部分?jǐn)?shù)字I／O有復(fù)用功能。P0口各個引腳的復(fù)用功能如表1所列。

表1P0口引腳的復(fù)用功能

引腳P0.7(DIO9)P0.6P0.5P0.4

復(fù)用功能PWMT1T0INT1

引腳P0.3P0.2P0.1P0.0(DIO2)

復(fù)用功能INT0TXDRXDGPIO

此外，P0口還有兩個控制寄存器P0ALT和P0DIR。其中P0ALT的控制優(yōu)先級高于P0DIR。設(shè)計時可以通過設(shè)定P0ALT來決定哪些引腳使用復(fù)用功能，沒有選用復(fù)用功能的引腳則為GPIO，而可用P0DIR來設(shè)置這些P0口是輸入還是輸出。

P1口只有3個引腳，可設(shè)為SPI接口或GPIO，nRF24E1使用SPI時，只能作為主機。SPI接口的引腳功能如下：

P1．2（DIN0）：串行數(shù)據(jù)輸入腳；

P1．1（DIN1）：串行數(shù)據(jù)輸出腳；

P1．0（DIO0）：串行時鐘引腳。

nRF24E1帶有9個模擬輸入引腳，其中AIN0～AIN7為ADC的8路模擬輸入，AREF為ADC參考電壓。此外，該器件還有2個天線接口引腳ANT1和ANT2以及兩個晶振引腳XC1和XC2。

nRF24E1必須用高精度的晶振，為了支持1Mbit／s的傳輸速率，設(shè)計時還必須采用16MHz以上的晶振。

nRF24E1的其它引腳還有12個。其中IREF用于連接外部偏置參考電阻。其余為電源和接地腳。

圖2

3內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2是nRF24E1的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和外圍元件。

從芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出，nRF24E1內(nèi)有增強型8051內(nèi)核、無線收發(fā)器nRF2401、9路100kspls／s的10bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器、UART異步串口、SPI接口、PWM輸出、RC振蕩器、看門狗和喚醒定時器，此外，nRF24E1還內(nèi)置了專門的穩(wěn)壓電路。

在nRF24E1的內(nèi)部存儲空間中，512BROM用于存儲引導(dǎo)程序。上電后，它可將EEPROM中存儲的程序下載到4kBRAM的程序運行空間，另外的256BRAM為數(shù)據(jù)存儲器。

4無線數(shù)據(jù)包格式和收發(fā)器配置字

數(shù)據(jù)包格式是通信協(xié)議的重要部分，nRF24E1的無線數(shù)據(jù)包格式如下：

PerambleADDRPAYLOADCRC

其中，Preamble是前導(dǎo)碼，是由硬件自動加上去的；ADDR是要發(fā)送的32～40位地址碼；PAYLOAD是有效數(shù)據(jù)；CRC是CRC校驗和，它可由內(nèi)置CRC糾檢錯硬件電路自動加上，可設(shè)為0、8或16位。ADDR、PAYLOAD和CRC的總長度最大為256位，因此，設(shè)置較短的地址和校驗和可以提高傳輸效率，但會使可靠性降低。

無線收發(fā)器nRF2401有一個144bit的配置字，該配置字規(guī)定了無線收發(fā)器的接收地址、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、無線傳輸速率、無線收發(fā)模式以及CRC校驗和的長度和有效數(shù)據(jù)的長度。在同一時刻，無線收發(fā)器只能處于接收或發(fā)送模式中的一種，一般以接收模式為待機狀態(tài)。

5應(yīng)用電路

nRF24E1可工作于2．4GHz的國際通用ISM頻段而無需申請無線應(yīng)用許可證，從而大大方便了開發(fā)者和用戶。nRF24E1內(nèi)置了增強型8051控制器，是一種集無線數(shù)據(jù)接收和發(fā)送于一體并可對數(shù)據(jù)進行處理的片上系統(tǒng)（SoC），這使得nRF24E1的應(yīng)用系統(tǒng)更為簡化，并且大大增強了無線系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時也使得開發(fā)變得簡單，而且可以降低了成本。

圖3

nRF24E1體積小、功耗低，因此非常適用于對體積和功耗要求較高的應(yīng)用場合。可廣泛應(yīng)用于計算機外設(shè)、無線耳機、玩具、游戲手柄、汽車電子、醫(yī)療器械、遙控和工業(yè)傳感器等方面。圖3所示是nRF24E1的應(yīng)用電路。圖中，nRF24E1通過SPI口與EEPROM進行連接。上電后，電路可在512BROM中存儲的引導(dǎo)程序的控制下，通過SPI將EEPROM中存儲的用戶程序傳送至nRF24E1的4kBRAM程序運行空間中，以把控制的任務(wù)轉(zhuǎn)到用戶程序，這樣通過SPI口就可以與其它器件進行通訊了。

當(dāng)上電后，首先必須對無線收發(fā)器nRF2401的配置字進行初始化，這可通過8051對配置字寫數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。

6結(jié)束語

眾所周知，藍牙芯片也工作在2．4GHz頻段，但由于其成本一直居高不下，產(chǎn)品也很難開發(fā)，因此到目前為止，藍牙的市場產(chǎn)品還很少。另外，市場也尚未出現(xiàn)非要藍牙不可的應(yīng)用需求，這樣，藍牙的一些市場定位便能夠輕易的被其他更專業(yè)的產(chǎn)品所取代，nRF24E1就是其中很有價格優(yōu)勢和較容易開發(fā)的一種，可用來代替一些領(lǐng)域的藍牙應(yīng)用需求。