2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片nRF24E1的原理及應用

摘要：nRF24E1是集成有2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)器、增強型8051、ADC和其它外設的一款高集成度無(wú)線(xiàn)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(chǎng)合的藍牙應用需求。文中介紹了nRF24E1發(fā)芯片的主要特點(diǎn)、內部結構和引腳功能，最后給出了nRF24E1的無(wú)線(xiàn)數據包格式和典型應用電路。

關(guān)鍵詞：nRF24E1；ISM頻段；藍牙；無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)收發(fā)器ｎＲＦ２４０１和增強型８０５１內核的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。ｎＲＦ２４Ｅ１適用于各種無(wú)線(xiàn)設備的短距離互連應用場(chǎng)合，工作于ＩＳＭ（工業(yè)、科學(xué)和醫學(xué)）頻段。該器件有１２５個(gè)頻點(diǎn)，能夠實(shí)現點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信，同時(shí)可采用改頻和跳頻來(lái)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(wú)線(xiàn)收發(fā)器；

● 內含增強型８０５１控制器；

● 可工作在低電壓?１．９Ｖ～３．６Ｖ?下；

● 內有電壓調節器；

● 待機電流可低至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；

● 設計簡(jiǎn)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，而且大部分數字Ｉ／Ｏ有復用功能。Ｐ０口各個(gè)引腳的復用功能如表１所列。

表1 P0口引腳的復用功能

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)先級高于Ｐ０ ＤＩＲ。設計時(shí)可以通過(guò)設定Ｐ０ ＡＬＴ來(lái)決定哪些引腳使用復用功能，沒(méi)有選用復用功能的引腳則為ＧＰＩＯ，而可用Ｐ０ ＤＩＲ來(lái)設置這些Ｐ０口是輸入還是輸出。

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

Ｐ１．２（ＤＩＮ０）：串行數據輸入腳；

Ｐ１．１（ＤＩＮ１）：串行數據輸出腳；

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(xiàn)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，設計時(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 內部結構

圖２是ｎＲＦ２４Ｅ１的內部結構框圖和外圍元件。

從芯片的內部結構圖可以看出，ｎＲＦ２４Ｅ１內有增強型８０５１內核、無(wú)線(xiàn)收發(fā)器ｎＲＦ２４０１、９路１００ｋｓｐｌｓ／ｓ的１０ｂｉｔ模數轉換器、ＵＡＲＴ異步串口、ＳＰＩ接口、ＰＷＭ輸出、ＲＣ振蕩器、看門(mén)狗和喚醒定時(shí)器，此外，ｎＲＦ２４Ｅ１還內置了專(zhuān)門(mén)的穩壓電路。

在ｎＲＦ２４Ｅ１的內部存儲空間中，５１２Ｂ ＲＯＭ用于存儲引導程序。上電后，它可將ＥＥＰＲＯＭ中存儲的程序下載到４ｋＢ ＲＡＭ的程序運行空間，另外的２５６Ｂ ＲＡＭ為數據存儲器。

４　無(wú)線(xiàn)數據包格式和收發(fā)器配置字

數據包格式是通信協(xié)議的重要部分，ｎＲＦ２４Ｅ１的無(wú)線(xiàn)數據包格式如下：

其中，Ｐｒｅａｍｂｌｅ是前導碼，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是有效數據；ＣＲＣ是ＣＲＣ校驗和，它可由內置ＣＲＣ糾檢錯硬件電路自動(dòng)加上，可設為０、８或１６位。ＡＤＤＲ、ＰＡＹＬＯＡＤ和ＣＲＣ的總長(cháng)度最大為２５６位，因此，設置較短的地址和校驗和可以提高傳輸效率，但會(huì )使可靠性降低。

無(wú)線(xiàn)收發(fā)器ｎＲＦ２４０１有一個(gè)１４４ｂｉｔ的配置字，該配置字規定了無(wú)線(xiàn)收發(fā)器的接收地址、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、無(wú)線(xiàn)傳輸速率、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模式以及ＣＲＣ校驗和的長(cháng)度和有效數據的長(cháng)度。在同一時(shí)刻，無(wú)線(xiàn)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　應用電路

ｎＲＦ２４Ｅ１可工作于２．４ＧＨｚ的國際通用ＩＳＭ頻段而無(wú)需申請無(wú)線(xiàn)應用許可證，從而大大方便了開(kāi)發(fā)者和用戶(hù)。ｎＲＦ２４Ｅ１內置了增強型８０５１控制器，是一種集無(wú)線(xiàn)數據接收和發(fā)送于一體?并可對數據進(jìn)行處理的片上系統（ＳｏＣ），這使得ｎＲＦ２４Ｅ１的應用系統更為簡(jiǎn)化，并且大大增強了無(wú)線(xiàn)系統的穩定性和可靠性，同時(shí)也使得開(kāi)發(fā)變得簡(jiǎn)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用場(chǎng)合?？蓮V泛應用于計算機外設、無(wú)線(xiàn)耳機、玩具、游戲手柄、汽車(chē)電子、醫療器械、遙控和工業(yè)傳感器等方面。圖３所示是ｎＲＦ２４Ｅ１的應用電路。圖中，ｎＲＦ２４Ｅ１通過(guò)ＳＰＩ口與ＥＥＰＲＯＭ進(jìn)行連接。上電后，電路可在５１２Ｂ ＲＯＭ中存儲的引導程序的控制下，通過(guò)ＳＰＩ將ＥＥＰＲＯＭ中存儲的用戶(hù)程序傳送至ｎＲＦ２４Ｅ１的４ｋＢ ＲＡＭ程序運行空間中， 以把控制的任務(wù)轉到用戶(hù)程序，這樣?通過(guò)ＳＰＩ口就可以與其它器件進(jìn)行通訊了。

當上電后，首先必須對無(wú)線(xiàn)收發(fā)器ｎＲＦ２４０１的配置字進(jìn)行初始化，這可通過(guò)８０５１對配置字寫(xiě)數據來(lái)實(shí)現。

６　結束語(yǔ)

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(kāi)發(fā)，因此?到目前為止，藍牙的市場(chǎng)產(chǎn)品還很少。另外，市場(chǎng)也尚未出現非要藍牙不可的應用需求，這樣，藍牙的一些市場(chǎng)定位便能夠輕易的被其他更專(zhuān)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(kāi)發(fā)的一種，可用來(lái)代替一些領(lǐng)域的藍牙應用需求。