基于RF芯片nRF401的無(wú)線(xiàn)數傳模塊設計

所設計的無(wú)線(xiàn)數傳模塊由單片射頻收發(fā)芯片NRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片構成，工作在433.92／434.33MHz頻段；可方便地嵌入在各種測量和控制系統中進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據傳輸，在車(chē)輛監控、無(wú)線(xiàn)抄表、無(wú)線(xiàn)232數據通信、計算機遙控遙測系統中應用。

　　nRF401是北歐集成電路公司（NORDIC）的產(chǎn)品，是一個(gè)為433MHz ISM頻段設計的真正單片UHF無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，滿(mǎn)足歐洲電信工業(yè)標準（ETSI）EN300 200-1 V1.2.1。它采用FSK調制解調技術(shù)，最高工作速率可以達到20K，發(fā)射功率可以調整，最大發(fā)射功率是+10dBm。nRF401的天線(xiàn)接口設計為差分天線(xiàn)，以便于使用低成本的PCB天線(xiàn)。它要求非常少的外圍元件（約10個(gè)），無(wú)需聲表濾波器、變容管等昂貴的元件，只需要便宜且易于獲得的4MHz晶體，收發(fā)天線(xiàn)合一。無(wú)需進(jìn)行初始化和配置，不需要對數據進(jìn)行曼徹斯特編碼，有兩個(gè)工作頻寬（433.92/434.33MHz）,工作電壓范圍可以從2.7-5V，還具有待機模式，可以更省電和高效。

　　nRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片的結構框圖如圖1所示：內部結構可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾部分。發(fā)射電路包含有：射頻功率放大器、鎖相環(huán)（PLL），壓控振蕩器（VCO），頻率合成器等電路?；鶞收袷幤鞑捎猛饨泳w振蕩器，產(chǎn)生電路所需的基準頻率。

其主要特性如下:

　　工作頻率為國際通用的數傳頻段
　　FSK調制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合；
　　采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩定性極好；
　　靈敏度高，達到-105dBm（nRF401）；
　　功耗小，接收狀態(tài)250 A，待機狀態(tài)僅為8 A（nRF401）；
　　最大發(fā)射功率達 +10dBm ；
　　低工作電壓（2.7V），可滿(mǎn)足低功耗設備的要求；
　　具有多個(gè)頻道，可方便地切換工作頻率 ；
　　工作速率最高可達20Kbit/s（RF401）；
　　僅外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件，基本無(wú)需調試；
　　因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計，使用無(wú)需申請許可證，開(kāi)闊地的使用距離最遠可達1000米 (與具體使用環(huán)境及元件參數有關(guān))。

引腳排列和功能

　　nRF401無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片具有20個(gè)引腳。

　　重要時(shí)序參數

　　TX與RX之間的切換

　　當從RX切換到TX模式時(shí),數據輸入腳(DIN)必須保持為高至少1ms才能收發(fā)數據。當從TX切換到RX時(shí)，數據輸出腳（DOUT）要至少3ms以后有數據輸出。

Standby與RX之間的切換

　　從待機模式到接收模式，當PWR_UP輸入設成1時(shí)，經(jīng)過(guò)tSR時(shí)間后,DOUT腳輸出數據才有效。對 nRF401來(lái)說(shuō)，tST最長(cháng)的時(shí)間是3ms。

從待機模式到發(fā)射模式，所需穩定的最大時(shí)間是tST。

Power Up與TX間的切換

　　從加電到發(fā)射模式過(guò)程中，為了避免開(kāi)機時(shí)產(chǎn)生干擾和輻射，在上電過(guò)程中TXEN的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合成器進(jìn)入穩定工作狀態(tài)。當由上電進(jìn)入發(fā)射模式時(shí)，TXEN必須保持1ms以后才可以往DIN發(fā)送數據。

從上電到接收模式過(guò)程中，芯片將不會(huì )接收數據，DOUT也不會(huì )有數據輸出，直到電壓穩定達到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振蕩器，這個(gè)時(shí)間可以縮短到3ms。

應用電路及設計應注意問(wèn)題

在實(shí)際應用中，微控制器采用Atmel公司的AT89C52，分別用單片機的P1口各管腳控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個(gè)腳即可。

接口芯片采用美信公司的RS232轉換芯片MAX3316，完成單片機和計算機RS232接口的電平轉換及數據發(fā)送、接收、請求、清除功能。關(guān)于此芯片的使用可參見(jiàn)其手冊。

在nRF401芯片使用時(shí)，設定好工作頻率，進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，通過(guò)單片機根據需要進(jìn)行收發(fā)轉換控制，發(fā)送／接收數據或進(jìn)行狀態(tài)轉換。在實(shí)際的設計應用中，需要注意以下幾個(gè)問(wèn)題：

1）天線(xiàn)的接入

ANT1和ANT2是接收時(shí)LNA的輸入，以及發(fā)送時(shí)功率放大器的輸出。連接nRF401的天線(xiàn)是以差分方式連接到nRF401的。在天線(xiàn)端推薦的負載阻抗是400歐姆，射頻功率放大器輸出是兩個(gè)開(kāi)路輸出三極管，配制成差分配對方式，功率放大器的VDD必須通過(guò)集電極負載，當采用差分環(huán)形天線(xiàn)時(shí)，VDD必須通過(guò)環(huán)形天線(xiàn)的中心輸入。

2）與單片機共用一個(gè)晶振

nRF401可以與單片機共用一個(gè)晶振，需要注意從單片機引入的晶體走線(xiàn)不能離數據線(xiàn)或者控制線(xiàn)太近。

PCB布局和去耦設計 印刷電路板（PCB）的設計直接關(guān)系到射頻性能，為了獲得較好的RF性能，PCB設計至少需要兩層板來(lái)實(shí)現，PCB分成射頻電路和控制電路兩部分布置。nRF401采用PCB天線(xiàn)，在天線(xiàn)的下面沒(méi)有接地面。射頻部分的電源與數字電路部分的電源分離。

為了減少分布參數的影響，在PCB應該避免長(cháng)的電源走線(xiàn)，所有元件地線(xiàn)，VDD連接線(xiàn)，VDD去耦電容必須離nRF401盡可能的近。nRF401的電源必須經(jīng)過(guò)很好的濾波,并且與數字電路供電分離，在離電源腳VDD盡可能近的地方用高性能的電容去耦，最好是一個(gè)小電容和一個(gè)大電容相并聯(lián)。pcb板頂層和底層最好敷銅接地，把這兩層的敷銅用較多的過(guò)孔緊密相連,再將VSS腳連接到敷銅面。所有開(kāi)關(guān)信號和控制信號都不能經(jīng)過(guò)PLL環(huán)路濾波器元件和VCO電感附近。

對nRF401的PCB布局來(lái)說(shuō)，VCO電感的位置是非常重要的。nRF401VCO電感位置的最佳設計是保證產(chǎn)生1.1 0.2V的PLL環(huán)路濾波器電壓，這個(gè)電壓可以從FILT1（pin4）測得。

通信協(xié)議的設計

nRF401在很多時(shí)候用在便攜及移動(dòng)式設備，在這種應用中需要盡可能長(cháng)時(shí)間的工作，考慮到電池的能耗，往往需要考慮節能和低功耗設計的問(wèn)題。為了節能，nRF401平時(shí)大多數情況下應處于關(guān)閉狀態(tài)，由于無(wú)線(xiàn)部分硬件上是不具備自動(dòng)喚醒功能的，為了達到節能的目的，必須通過(guò)軟件方式采用合理的通信協(xié)議以保證節能同時(shí)不丟失數據。

1）首先每次發(fā)送應該有一個(gè)前置碼，通?？刹捎?01010101010……，持續一個(gè)給定的周期（比如1秒），這個(gè)前置碼是節能的基礎。

2）接收端平時(shí)可以開(kāi)啟接收幾個(gè)毫秒，如果沒(méi)有收到規定的前置101010101010……，然后關(guān)閉約1秒，通過(guò)檢測前置碼而獲得同步。開(kāi)關(guān)的時(shí)間比也就是工作的占空比，增加前置碼的周期可以減少工作的時(shí)間，從而減少平均工作電流；需要注意的是增加前置碼的長(cháng)度雖然可以降低功耗，但是會(huì )降低系統的響應速度，需要根據系統的要求進(jìn)行確定。

軟件設計

在設計程序時(shí)，要注意各狀態(tài)轉換的時(shí)延。nRF401的通訊速率最高為20kbit/s，發(fā)送數據之前需將電路置于發(fā)射模式；接收模式轉換為發(fā)射模式的轉換時(shí)間至少為1ms；可以發(fā)送任意長(cháng)度的數據；發(fā)射模式轉換為接收模式的轉換時(shí)間至少為3ms。在待機模式時(shí)，電路進(jìn)入待機狀態(tài)，電路不接收和發(fā)射數據。待機模式轉換為發(fā)射模式的轉換時(shí)間至少為4ms；待機模式轉換為接收模式的轉換時(shí)間至少為5.0ms。