射頻SoC nRF9E5及無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統的實(shí)現
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摘要：介紹最新51兼容的射頻SoC(片上系統)nRF9E5的系統框架、各個(gè)組成部分、工作方式和配置方法；分析無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統的結構和運用nRF9E5進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據系統設計的通信協(xié)議；給出系統的硬件原理圖和程序流程圖；歸納nRF9E5在無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統設計中的優(yōu)勢。 關(guān)鍵詞：nRF9E5 射頻SoC 數據傳輸 無(wú)線(xiàn)通信 51系列 引言 nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系統級RF芯片，其內置nRF905 433/868/915MHz收發(fā)器、8051兼容微控制器和4輸入10位80ksps A/D轉換器，是真正的系統級芯片，如圖1所示。內置nRF905收發(fā)器與nRF905芯片的收發(fā)器一樣，可以工作于ShockBurst(自動(dòng)處理前綴、地址和CRC)方式。內置電壓調整模塊，最大限度地抑制噪音，為系統提供1.9～3.6V的工作電壓，QFN55mm封裝，載波檢測。nRF9E5符合美國通信委員會(huì )和歐洲電信標準學(xué)會(huì )的相關(guān)標準。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很適用于無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統的設計。 1.1 nRF9E5硬件 （1）微控制器 nRF9E5的片內微控制器與標準8051兼容，指令時(shí)序與標準8051稍有區別。典型的區別是：nRF9E5的片內微控制器的指令周期為4到20個(gè)指令周期。中斷控制器支持5個(gè)擴展中斷源：ADC中斷、SPI中斷、RADIO1中斷、RADIO2中斷和喚醒定時(shí)器中斷。片內控制器還有3個(gè)與8052相同的定時(shí)器。1個(gè)和8051相同的串口，可以用定時(shí)器1和定時(shí)器2來(lái)作為異步通信的波特率產(chǎn)生器。此外，還擴展了2個(gè)數據指針，以方便于從XRAM區讀取數據。微處理器中有256B的數據RAM和512B的ROM。上電復位或軟件復位后，處理器自動(dòng)執行ROM引導區中的代碼。用戶(hù)程序通常是在引導區的引導下，從EEROM加載到1個(gè)4KB的RAM中，這個(gè)4KB的RAM也可作存儲數據用。NRF9E5的大部分寄存器和標準8051相同，只是增加了一些特殊功能寄存器，如RADIO（P2）、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY、RCAP2L、RCAP2H、CKLFCON等。nRF9E5中的P0、P1和P2口寄存器地址和標準8051中的相同，都是0x80、0x90、0xA0,但功能和標準8051中的有所不同。 nRF9E5內有一個(gè)低頻的時(shí)鐘CKLF，該時(shí)鐘常開(kāi)。當晶振開(kāi)始工作后，CKLF頻率為4Hz；晶振不工作時(shí)，CKLF是一個(gè)低功耗RC晶振器，只要VDD≥1.8V，其連續工作。RTC喚醒定時(shí)器、WTD（看門(mén)狗）和GPIO喚醒全都工作在CKLF頻率，以保證芯片功耗工作時(shí)能夠完成這三個(gè)功能。RTC喚醒定時(shí)器是一個(gè)24位可編程控制的遞減計數器，WTD則是一個(gè)16位可編程控制遞減計數器。RTC喚醒定時(shí)器和WTD的循環(huán)周期一般在300μs～80ms，默認為1ms。RTC喚醒定時(shí)器也能作GPIO的輸出源，也就是說(shuō)，當RTC喚醒定時(shí)器初始化時(shí)間發(fā)生溢出時(shí)，能夠產(chǎn)生一個(gè)用作GPIO輸出的程序脈沖。 （3）SPI接口和A/D轉換器 SPI（串行外設接口）的接口引腳有MISO（接收EEPROM的SDO送來(lái)的數據）、SCK（給EEPROM的SCK提供時(shí)鐘信號）、MOSI（送數據到EEPROM的SDI）、EECSN（給EEPROM的CSN送使能信號）。SPI口的MISO、SCK和MOSI與P1口的低3位重用，通過(guò)寄存器SPI_CTRL控制來(lái)控制功能間的撤換。SPI硬件不產(chǎn)生任何片選信號，可以用GPIO口來(lái)進(jìn)行片選。通常，系統上電時(shí)，SPI自動(dòng)和片外25320相連。當程序加載完成后，MISO（P1.2）、MOSI（P1.0）可能會(huì )用作其它用途，比如其它的SPI器件或GPIO。 nRF9E5片內有10位ADC，A/D轉換參考電壓可以通過(guò)軟件設置在A(yíng)REF和1.22V之間（內部參考電壓）。A/D轉換器的4個(gè)輸入可通過(guò)軟件進(jìn)行選擇，通道0～3可以把對應引腳AIN0～AIN3上的電壓值分別轉換為數字值，通道4用于對nRF9E5工作電壓的監控。A/D轉換器默認工作于10位方式，可通過(guò)軟件使其工作于6位、8位或12位方式。 nRF9E5收發(fā)器通過(guò)內部并行口或內部SPI口與其它模塊進(jìn)行通信 ，具有同單片射頻收發(fā)器nRF905相同的功能。收發(fā)器通過(guò)片內MCU的并行口或SPI口與微控制器通信，數據準備好，載波檢測和地址匹配信號能夠作為微控制器和中斷。 nRF905工作于433/868/915MHz ISM頻段。收發(fā)器由1個(gè)完事的頻率合成器、1個(gè)功率放大器、1個(gè)調節呂和2個(gè)接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數可通過(guò)對特殊功能寄存器RADIO（0xA0）編程進(jìn)行控制。發(fā)射模式下，射頻電流消耗為11mA,接收模式下為12.5mA。為了節能，可通過(guò)程序控制收發(fā)器的開(kāi)/關(guān)。 1.2 nRF9E5的收發(fā)方式 不同于nRF401和nRF903，nRF9E5使用SPI接口進(jìn)行單片機與無(wú)線(xiàn)模塊間的數據傳輸。這部分在nRF9E5片內的8051內核與nRF905射頻收發(fā)器之間完成。nRF9E5片內的8051內核與nRF905射頻收發(fā)器之間完成。nRF905片內的8051內核與nRF905射頻收發(fā)器之間完成。nRF9E5的收發(fā)器有三種工作方式，ShockBurst接收（RX）方式、ShockBurst發(fā)送（TX）方式和空閑方式。當收發(fā)器在空閑方式下，微控器依然在運行。 nRF9E5使用Nordic VLSI公司的ShockBurst的特性，進(jìn)行高速的數據傳輸。與射頻數據相關(guān)的協(xié)議由nRF9E5片內的nRF9E5收發(fā)器自動(dòng)處理。nRF9E5只用簡(jiǎn)單的SPI接口便能和nRF9E5進(jìn)行數據傳輸，數據傳輸的速度取決于SPI接口的速度，這個(gè)可以在nRF9E5片內8051內核中進(jìn)行配置。ShockBurst實(shí)現低速數據輸入，高速數據輸出，從而降低了系統的平均能耗。在ShockBurst接收方式下，當收到一個(gè)有效地址的射頻數據包時(shí)，地址匹配寄存器位（AM）和數據準備好寄存器位（DR）通知片內MCU把數據讀出。在ShockBurst發(fā)送方式下，nRF9E5自動(dòng)給要發(fā)送的數據加上前綴和CRC校驗。當數據發(fā)送完后，數據準備好寄存器位（DR）會(huì )通知MCU數據已經(jīng)處理完畢。 當系統沒(méi)有發(fā)送和任務(wù)時(shí)，其進(jìn)入空閑方式，nRF9E5在空閑方式下，一旦有任務(wù)要處理時(shí)，其能夠在很短的時(shí)間內就進(jìn)入ShockBurst接收方式和ShockBurst發(fā)送方式?？臻e方式下，晶體振蕩器依然工作，配置字中的內容不至于丟失。 1.3 載波檢測 在ShockBurst接收方式下，當出現nRF9E5工作信道內的射頻載波時(shí)，載波檢測引腳（CD）被置高，這個(gè)特性很好的避免了同一工作頻率下不同發(fā)射器數據包之前的碰撞。當收發(fā)器準備發(fā)射數據時(shí)，它首先進(jìn)入接收方式并探測所工作的信道是否空閑。載波檢測的標準一般比靈敏度低5dB，比如，靈敏度為-100dBm，載波檢測功能探測低至-105dBm的載波。也就是說(shuō)，載波低于-105dBm，載波檢測信號為低（一般為0），高于-95dBm，則載波檢測信號為高（一般為VDD），介于-105～95dBm之間，載波檢測信號可能為低也可能為高。 2 無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統 2.1 系統組成 無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統有點(diǎn)對點(diǎn)，點(diǎn)對多點(diǎn)和多點(diǎn)對多點(diǎn)三種。本系統由于實(shí)際應用的需要，由于位PC機，主接收器和多臺數據終端組成。主接收器和數據終端之前的數據傳輸通過(guò)nRF9E5進(jìn)行，構成點(diǎn)對多點(diǎn)多無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統。整個(gè)系統中，PC機和數據終端之間的無(wú)線(xiàn)通信采用433MHz的頻段作為載波頻率。為了避免同頻干擾的問(wèn)題，系統采用TDMA（Time Division Multiple Access）通信技術(shù)。主接收器采用逐一掃描的方式探測各個(gè)數據終端有沒(méi)有收發(fā)通信請求或其它任務(wù)；數據終端則采用中斷方式，對主接收器發(fā)出的地址信息進(jìn)行處理，若與本機地十相符則執行命令。由此可見(jiàn)，上位PC機與數據終端的通信轉化為主接收器與數據終端間的通信，以及PC機與主接收通過(guò)串口（USB或UART）間的通信。整個(gè)無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統的結構如圖2所示。 2.2 通信協(xié)議 通信協(xié)議是通信雙方為實(shí)現信息交換而制定的規則。本系統采用時(shí)分多路訪(fǎng)問(wèn)通信技術(shù)（TDMA），將點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式轉化為點(diǎn)對點(diǎn)的通信，因此必然涉及信源與信宿之間建立通信連接時(shí)的地址匹配問(wèn)題。由于主接收器與數據終端之間的通信可能會(huì )受到其它數據終端或外界環(huán)境的干擾而發(fā)生錯誤，因此，需要通信協(xié)議來(lái)保證數據傳輸的可靠性。 nRF9E5只有一種協(xié)議格式，其中的前綴也就是數據，設備地址包括本機的地址和主接收器的地址，CRC校驗可進(jìn)行選8位或16位。 3 無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統的實(shí)現 3.1 系統硬件 圖3為無(wú)線(xiàn)數傳系統中主要接收器的硬件原理圖。數據終端的硬件原理與圖3類(lèi)似，只不過(guò)沒(méi)有與PC機相接的串口部分，并且GPIO口和A/D轉換口號相應的數據輸入端相連，如溫度傳感器和中斷信號等。ANT1和ANT2為天線(xiàn)連接引腳，可采用PCB環(huán)形差分天線(xiàn)，晶振工作頻率為16MHz。25AA320為EEPROM，在nRF9E5上電后，系統根據引導程序，把25AA320中和程序代碼拷貝到nRF9E5的4KB RAM中。LM1117為電源管理模塊，把5V電平轉化為nRF9E5可用的3.3V。MAX3232CSE為nRF9E5串口與PC串口間通信的電平轉換芯片。由圖3可知，用nRF9E5進(jìn)行無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統設計非常方便。nRF9E5的外形尺寸非常小，在對外形尺寸要求很?chē)栏竦膱?chǎng)合，nRF9E5更使用。 3.2 系統軟件 無(wú)線(xiàn)數據傳輸主要由無(wú)線(xiàn)數據終端、主接收器和PC機組成，PC機與主接收器間用串行口通信。整個(gè)系統的各個(gè)部分都是服務(wù)于無(wú)線(xiàn)數據傳輸這個(gè)目的。所以，在整個(gè)系統的軟件設計中，無(wú)線(xiàn)數據的傳輸為最主要部分。如圖4和圖5所示，是無(wú)線(xiàn)數據傳輸的接收和發(fā)送流程。軟件設計應根據通信協(xié)議并考慮數據的糾錯，檢錯可采用CRC校驗8位或16位方式。在圖4、圖5中，TRX_CE發(fā)送和接收使能寄存器位，DR為數據準備寄存器位，AM為地址匹配寄存器位，AUTO_RETRAN為自動(dòng)重發(fā)寄存器位。 4 結論 利用射頻無(wú)線(xiàn)片上系統nRF9E5，容易實(shí)現小尺寸、高穩定性的無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統，433/868/915MHz三個(gè)工作頻段可根據使用需要進(jìn)行選擇。nRF9E5片內的UART方便于實(shí)現與PC機間的串行通信，其片內的A/D轉換器方便于進(jìn)行數據采集。nRF9E5的ShockBurst技術(shù)和電源監管技術(shù)，使得無(wú)線(xiàn)數據傳輸系統的功耗更低，設計中為節約用電而編寫(xiě)的程序代碼也更少。 |
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