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2.4GHz射頻收發(fā)芯片nRF2401及其應用
摘要:本文介紹了工作于2.4GHzISM頻段的射頻收發(fā)芯片nRF2401的芯片結構、引腳功能、工作模式、接收與發(fā)送的工作流程,詳細描述了nRF2401的器件配置,給出了應用電路圖,分析了PCB設計時應該注意的問題,最后對全文進行了總結。關鍵詞:nRF2401;射頻;無線通信;收發(fā)芯片
1.引言
nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片,工作于2.4~2.5GHzISM頻段,芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊,輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低,以-5dBm的功率發(fā)射時,工作電流只有10.5mA,接收時工作電流只有18mA,多種低功率工作模式,節(jié)能設計更方便。其DuoCeiverTM技術使nRF2401可以使用同一天線,同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401適用于多種無線通信的場合,如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標、遙控開鎖、遙控玩具等。
2.芯片結構、引腳說明
2.1芯片結構
nRF2401內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器,功率放大器等功能模塊,需要很少的外圍元件,因此使用起來非常方便。QFN24引腳封裝,外形尺寸只有5×5mm。nRF2401的功能模塊如圖1所示。
2.2引腳說明
表1:nRF2401引腳
3.工作模式
nRF2401有工作模式有四種:收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關機模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三個引腳決定,詳見表2。
表2:nRF2401工作模式
3.1收發(fā)模式
nRF2401的收發(fā)模式有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種,收發(fā)模式由器件配置字決定,具體配置將在器件配置部分詳細介紹。
3.1.1ShockBurstTM收發(fā)模式
ShockBurstTM收發(fā)模式下,使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū),數(shù)據(jù)低速從微控制器送入,但高速(1Mbps)發(fā)射,這樣可以盡量節(jié)能,因此,使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關的所有高速信號處理都在片內(nèi)進行,這種做法有三大好處:盡量節(jié)能;低的系統(tǒng)費用(低速微處理器也能進行高速射頻發(fā)射);數(shù)據(jù)在空中停留時間短,抗干擾性高。nRF2401的ShockBurstTM技術同時也減小了整個系統(tǒng)的平均工作電流。
在ShockBurstTM收發(fā)模式下,nRF2401自動處理字頭和CRC校驗碼。在接收數(shù)據(jù)時,自動把字頭和CRC校驗碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時,自動加上字頭和CRC校驗碼,當發(fā)送過程完成后,數(shù)據(jù)準備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。
3.1.1.1ShockBurstTM發(fā)射流程
接口引腳為CE,CLK1,DATA
A.當微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時,其把CE置高,使nRF2401工作;
B.把接收機的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時序送入nRF2401;
C.微控制器把CE置低,激發(fā)nRF2401進行ShockBurstTM發(fā)射;
D.nRF2401的ShockBurstTM發(fā)射
²給射頻前端供電;
²射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、CRC校驗碼);
²高速發(fā)射數(shù)據(jù)包;
²發(fā)射完成,nRF2401進入空閑狀態(tài)。
3.1.1.2ShockBurstTM接收流程
接口引腳CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1)
A.配置本機地址和要接收的數(shù)據(jù)包大;
B.進入接收狀態(tài),把CE置高;
C.200us后,nRF2401進入監(jiān)視狀態(tài),等待數(shù)據(jù)包的到來;
D.當接收到正確的數(shù)據(jù)包(正確的地址和CRC校驗碼),nRF2401自動把字頭、地址和CRC校驗位移去;
E.nRF2401通過把DR1(這個引腳一般引起微控制器中斷)置高通知微控制器;
F.微控制器把數(shù)據(jù)從nRF2401移出;
G.所有數(shù)據(jù)移完,nRF2401把DR1置低,此時,如果CE為高,則等待下一個數(shù)據(jù)包,如果CE為低,開始其它工作流程。
3.1.2直接收發(fā)模式
在直接收發(fā)模式下,nRF2401如傳統(tǒng)的射頻收發(fā)器一樣工作。
3.1.2.1直接發(fā)送模式
接口引腳為CE、DATA
A.當微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時,把CE置高;
B.nRF2401射頻前端被激活;
C.所有的射頻協(xié)議必須在微控制器程序中進行處理(包括字頭、地址和CRC校驗碼)。
3.1.2.2直接接收模式
接口引腳為CE、CLK1和DATA
A.一旦nRF2401被配置為直接接收模式,DATA引腳將根據(jù)天線接收到的信號開始高低變化(由于噪聲的存在);
B.CLK1引腳也開始工作;
C.一旦接收到有效的字頭,CLK1引腳和DATA引腳將協(xié)調(diào)工作,把射頻數(shù)據(jù)包以其被發(fā)射時的數(shù)據(jù)從DATA引腳送給微控制器;
D.這頭必須是8位;
E.DR引腳
沒用上,所有的地址和CRC校驗必須在微控制器內(nèi)部進行。
3.2配置模式
在配置模式,15字節(jié)的配置字被送到nRF2401,這通過CS、CLK1和DATA三個引腳完成,具體的配置方法請參考本文的器件配置部分。
3.3空閑模式
nRF2401的空閑模式是為了減小平均工作電流而設計,其最大的優(yōu)點是,實現(xiàn)節(jié)能的同時,縮短芯片的起動時間。在空閑模式下,部分片內(nèi)晶振仍在工作,此時的工作電流跟外部晶振的頻率有關,如外部晶振為4MHz時工作電流為12uA,外部晶振為16MHz時工作電流為32uA。在空閑模式下,配置字的內(nèi)容保持在nRF2401片內(nèi)。
3.4關機模式
在關機模式下,為了得到最小的工作電流,一般此時的工作電流小于1uA。關機模式下,配置字的內(nèi)容也會被保持在nRF2401片內(nèi),這是該模式與斷電狀態(tài)最大的區(qū)別。
4.器件配置
nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和DATA三個引腳完成,把其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式需要15字節(jié)的配置字,而如把其配置為直接收發(fā)模式只需要2字節(jié)的配置字。由上文對nRF2401工作模式的介紹,我們可以知道,nRF2401一般工作于ShockBurstTM收發(fā)模式,這樣,系統(tǒng)的程序編制會更加簡單,并且穩(wěn)定性也會更高,因此,下文著重介紹把nRF2401配置為ShockBurstTM收發(fā)模式的器件配置方法。
ShockBurstTM的配置字使nRF2401能夠處理射頻協(xié)議,在配置完成后,在nRF2401工作的過程中,只需改變其最低一個字節(jié)中的內(nèi)容,以實現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間切換。ShockBurstTM的配置字可以分為以下四個部分:
數(shù)據(jù)寬度:聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分接收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和CRC校驗碼;
地址寬度:聲明射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù);
地址:接收數(shù)據(jù)的地址,有通道1的地址和通道2的地址;
CRC:使nRF2401能夠生成CRC校驗碼和解碼。
當使用nRF2401片內(nèi)的CRC技術時,要確保在配置字中CRC校驗被使能,并且發(fā)送和接收使用相同的協(xié)議。nRF2401配置字的各個位的描述如表3所示。
表3:nRF2401配置字描述
在配置模式下,注意保證PWR_UP引腳為高電平,CE引腳為低電平。配置字從最高位開始,依次送入nRF2401。在CS引腳的下降沿,新送入的配置字開始工作。
5.應用電路
圖2為nRF2401的應用電路,由圖可知,其只需要14個外圍元件。nRF2401應用電路一般工作于3V,它可用多種低功耗微控制器進行控制。在設計過程中,設計者可使用單鞭天線或環(huán)形天線,上圖為50歐姆單鞭天線的應用電路。在使用不同的天線時,為了得到盡可能大的收發(fā)距離,電感電容的參數(shù)應適當調(diào)整。
6.PCB設計
PCB設計對nRF2401的整體性能影響很大,所以PCB設計在nRF2401收發(fā)系統(tǒng)的開發(fā)過程中主要的工作之一,在PCB設計時,必須考慮到各種電磁干擾,注意調(diào)整電阻、電容和電感的位置,特別要注意電容的位置。
nRF2401的PCB一般都是雙層板,底層一般不放置元件,為地層,頂層的空余地方一般都敷上銅,這些敷銅通過過孔與底層的地相連。直流電源及電源濾波電容盡量靠近VDD引腳。nRF2401的供電電源應通過電容隔開,這樣有利于給nRF2401提供穩(wěn)定的電源。在PCB中,盡量多打一些通孔,使頂層和底層的地能夠充分接觸。
7.結束語
nRF2401通過ShockBurstTM收發(fā)模式進行無線數(shù)據(jù)發(fā)送,收發(fā)可靠,其外形尺寸小,需要的外圍元器件也少,因此,使用方便,在工業(yè)控制、消費電子等各個領域都具有廣闊的應用前景。
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