2.4GHz無線收發(fā)芯片nRF24E1的原理及應(yīng)用

摘要：nRF24E1是集成有2.4GHz無線收發(fā)器、增強(qiáng)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(jià)格優(yōu)勢，可代替一些場合的藍(lán)牙應(yīng)用需求。文中介紹了nRF24E1發(fā)芯片的主要特點(diǎn)、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(lán)牙；無線通信；8051

１ ｎＲＦ２４Ｅ１的主要特點(diǎn)

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(qiáng)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(gè)頻點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的無線通信，同時(shí)可采用改頻和跳頻來避免干擾。ｎＲＦ２４Ｅ１最大傳輸速率可達(dá)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(dá)３０～４０米，室外傳輸距離可達(dá)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(qiáng)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(jī)電流可低至２μＡ，同時(shí)器件還帶有喚醒定時(shí)器；

● 采用０．１８μｍ的ＣＭＯＳ技術(shù)制造；

● 所需外圍器件很少；

● 設(shè)計(jì)簡單。

２ 引腳功能

ｎＲＦ２４Ｅ１采用３６腳ＱＦＮ（６６ｍｍ）封裝，其引腳排列如圖１所示，各引腳功能如下：

ｎＲＦ２４Ｅ１有１１個(gè)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(gè)引腳的復(fù)用功能如表１所列。

表1 P0口引腳的復(fù)用功能

此外，Ｐ０口還有兩個(gè)控制寄存器Ｐ０ ＡＬＴ和Ｐ０ ＤＩＲ。其中Ｐ０ ＡＬＴ的控制優(yōu)先級(jí)高于Ｐ０ ＤＩＲ。設(shè)計(jì)時(shí)可以通過設(shè)定Ｐ０ ＡＬＴ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Ｐ０ ＤＩＲ來設(shè)置這些Ｐ０口是輸入還是輸出。

Ｐ１口只有３個(gè)引腳，可設(shè)為ＳＰＩ接口或ＧＰＩＯ，ｎＲＦ２４Ｅ１使用ＳＰＩ時(shí)，只能作為主機(jī)。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(shí)鐘引腳。

ｎＲＦ２４Ｅ１帶有９個(gè)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(gè)天線接口引腳ＡＮＴ１和ＡＮＴ２以及兩個(gè)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(jì)時(shí)還必須采用１６ＭＨｚ以上的晶振。

ｎＲＦ２４Ｅ１的其它引腳還有１２個(gè)。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(qiáng)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(shí)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(chǔ)空間中，５１２Ｂ ＲＯＭ用于存儲(chǔ)引導(dǎo)程序。上電后，它可將ＥＥＰＲＯＭ中存儲(chǔ)的程序下載到４ｋＢ ＲＡＭ的程序運(yùn)行空間，另外的２５６Ｂ ＲＡＭ為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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：

其中，Ｐｒｅａｍｂｌｅ是前導(dǎo)碼，是由硬件自動(dòng)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(yàn)和，它可由內(nèi)置ＣＲＣ糾檢錯(cuò)硬件電路自動(dòng)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(yàn)和可以提高傳輸效率，但會(huì)使可靠性降低。

無線收發(fā)器ｎＲＦ２４０１有一個(gè)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(yàn)和的長度和有效數(shù)據(jù)的長度。在同一時(shí)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(jī)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(qiáng)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(jìn)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(qiáng)了無線系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，同時(shí)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?？蓮V泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外設(shè)、無線耳機(jī)、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(jìn)行連接。上電后，電路可在５１２Ｂ ＲＯＭ中存儲(chǔ)的引導(dǎo)程序的控制下，通過ＳＰＩ將ＥＥＰＲＯＭ中存儲(chǔ)的用戶程序傳送至ｎＲＦ２４Ｅ１的４ｋＢ ＲＡＭ程序運(yùn)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(jìn)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(jìn)行初始化，這可通過８０５１對配置字寫數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)。

６　結(jié)束語

眾所周知，藍(lán)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(lán)牙的市場產(chǎn)品還很少。另外，市場也尚未出現(xiàn)非要藍(lán)牙不可的應(yīng)用需求，這樣，藍(lán)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(jià)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(lán)牙應(yīng)用需求。