2.4GHz无线收发芯片nRF24E1的原理及应用

摘要：nRF24E1是集成有2.4GHz无线收发器、增强型8051、ADC和其它外设的一款高集成度无线收发芯片，它体积小，功耗低、所需外围元件少，并有很大的价格优势，可代替一些场合的蓝牙应用需求。文中介绍了nRF24E1发芯片的主要特点、内部结构和引脚功能，最后给出了nRF24E1的无线数据包格式和典型应用电路。
　　关键词：nRF24E1；ISM频段；蓝牙；无线通信；8051
　　
　　１ｎＲＦ２４Ｅ１的主要特点
　　
　　ｎＲＦ２４Ｅ１是北欧集成电路公司（ＮＯＲＤＩＣ）推出的一款带２．４ＧＨｚ无线收发器ｎＲＦ２４０１和增强型８０５１内核的无线收发模块。ｎＲＦ２４Ｅ１适用于各种无线设备的短距离互连应用场合，工作于ＩＳＭ（工业、科学和医学）频段。该器件有１２５个频点，能够实现点对点、点对多点的无线通信，同时可采用改频和跳频来避免干扰。ｎＲＦ２４Ｅ１最大传输速率可达１Ｍｂｉｔ／ｓ，其最大发射功率为０ｄＢｍ，在比较理想环境中，其室内传输距离可达３０～４０米，室外传输距离可达１００～２００米。ｎＲＦ２４Ｅ１的灵敏度为－９０ｄＢｍ，工作电压为１．９Ｖ～３．３Ｖ，工作温度范围为－４０～＋８０℃。
　　
　　ｎＲＦ２４Ｅ１的主要特性如下：
　　
　　●带有２．４ＧＨｚ无线收发器；
　　
　　●内含增强型８０５１控制器；
　　
　　●可工作在低电压?１．９Ｖ～３．６Ｖ?下；
　　
　　●内有电压调节器；
　　
　　●待机电流可低至２μＡ，同时器件还带有唤醒定时器；
　　
　　●采用０．１８μｍ的ＣＭＯＳ技术制造；
　　
　　●所需外围器件很少；
　　
　　●设计简单。
　　
　　２引脚功能
　　
　　ｎＲＦ２４Ｅ１采用３６脚ＱＦＮ（６×６ｍｍ）封装，其引脚排列如图１所示，各引脚功能如下：
　　
　　ｎＲＦ２４Ｅ１有１１个数字Ｉ／Ｏ引脚，由Ｐ０口（ＤＩＯ２～ＤＩＯ９）和Ｐ１口（ＤＩＯ０、ＤＩＯ１、ＤＩＮ０）组成，除了ＤＩＮ０只能用于输入外，其余都是双向引脚，而且大部分数字Ｉ／Ｏ有复用功能。Ｐ０口各个引脚的复用功能如表１所列。
　　
　　表1P0口引脚的复用功能
　　
　　引脚P0.7(DIO9)P0.6P0.5P0.4复用功能PWMT1T0INT1引脚P0.3P0.2P0.1P0.0(DIO2)复用功能INT0TXDRXDGPIO
　　此外，Ｐ０口还有两个控制寄存器Ｐ０ＡＬＴ和Ｐ０ＤＩＲ。其中Ｐ０ＡＬＴ的控制优先级高于Ｐ０ＤＩＲ。设计时可以通过设定Ｐ０ＡＬＴ来决定哪些引脚使用复用功能，没有选用复用功能的引脚则为ＧＰＩＯ，而可用Ｐ０ＤＩＲ来设置这些Ｐ０口是输入还是输出。
　　
　　Ｐ１口只有３个引脚，可设为ＳＰＩ接口或ＧＰＩＯ，ｎＲＦ２４Ｅ１使用ＳＰＩ时，只能作为主机。ＳＰＩ接口的引脚功能如下：
　　
　　Ｐ１．２（ＤＩＮ０）：串行数据输入脚；
　　
　　Ｐ１．１（ＤＩＮ１）：串行数据输出脚；
　　
　　Ｐ１．０（ＤＩＯ０）：串行时钟引脚。
　　
　　ｎＲＦ２４Ｅ１带有９个模拟输入引脚，其中ＡＩＮ０～ＡＩＮ７为ＡＤＣ的８路模拟输入，ＡＲＥＦ为ＡＤＣ参考电压。此外，该器件还有２个天线接口引脚ＡＮＴ１和ＡＮＴ２以及两个晶振引脚ＸＣ１和ＸＣ２。
　　
　　ｎＲＦ２４Ｅ１必须用高精度的晶振，为了支持１Ｍｂｉｔ／ｓ的传输速率，设计时还必须采用１６ＭＨｚ以上的晶振。
　　
　　ｎＲＦ２４Ｅ１的其它引脚还有１２个。其中ＩＲＥＦ用于连接外部偏置参考电阻。其余为电源和接地脚。
　　
　　图2
　　
　　３内部结构
　　
　　图２是ｎＲＦ２４Ｅ１的内部结构框图和外围元件。
　　
　　从芯片的内部结构图可以看出，ｎＲＦ２４Ｅ１内有增强型８０５１内核、无线收发器ｎＲＦ２４０１、９路１００ｋｓｐｌｓ／ｓ的１０ｂｉｔ模数转换器、ＵＡＲＴ异步串口、ＳＰＩ接口、ＰＷＭ输出、ＲＣ振荡器、看门狗和唤醒定时器，此外，ｎＲＦ２４Ｅ１还内置了专门的稳压电路。
　　
　　在ｎＲＦ２４Ｅ１的内部存储空间中，５１２ＢＲＯＭ用于存储引导程序。上电后，它可将ＥＥＰＲＯＭ中存储的程序下载到４ｋＢＲＡＭ的程序运行空间，另外的２５６ＢＲＡＭ为数据存储器。
　　
　　４无线数据包格式和收发器配置字
　　
　　数据包格式是通信协议的重要部分，ｎＲＦ２４Ｅ１的无线数据包格式如下：
　　
　　PerambleADDRPAYLOADCRC
　　其中，Ｐｒｅａｍｂｌｅ是前导码，是由硬件自动加上去的；ＡＤＤＲ是要发送的３２～４０位地址码；ＰＡＹＬＯＡＤ是有效数据；ＣＲＣ是ＣＲＣ校验和，它可由内置ＣＲＣ纠检错硬件电路自动加上，可设为０、８或１６位。ＡＤＤＲ、ＰＡＹＬＯＡＤ和ＣＲＣ的总长度最大为２５６位，因此，设置较短的地址和校验和可以提高传输效率，但会使可靠性降低。
　　
　　无线收发器ｎＲＦ２４０１有一个１４４ｂｉｔ的配置字，该配置字规定了无线收发器的接收地址、收发频率、发射功率、无线传输速率、无线收发模式以及ＣＲＣ校验和的长度和有效数据的长度。在同一时刻，无线收发器只能处于接收或发送模式中的一种，一般以接收模式为待机状态。
　　
　　５应用电路
　　
　　ｎＲＦ２４Ｅ１可工作于２．４ＧＨｚ的国际通用ＩＳＭ频段而无需申请无线应用许可证，从而大大方便了开发者和用户。ｎＲＦ２４Ｅ１内置了增强型８０５１控制器，是一种集无线数据接收和发送于一体?并可对数据进行处理的片上系统（ＳｏＣ），这使得ｎＲＦ２４Ｅ１的应用系统更为简化，并且大大增强了无线系统的稳定性和可靠性，同时也使得开发