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解密2.4GHz无线收发芯片nRF24E1的原理

时间:2009-10-12 10:27:49点击:

  nRF24E1是一款集成了2.4GHz无线收发器、增强型8051、ADC和其它外设的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。
  1 nRF24E1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1 P0口引脚的复用功能
  引 脚 P0.7(DIO9) P0.6 P0.5 P0.4
  复用功能 PWM T1 T0 INT1
  引 脚 P0.3 P0.2 P0.1 P0.0(DIO2)
  复用功能 INT0 TXD RXD GPIO
  此外,P0口还有两个控制寄存器P0 ALT和P0 DIR.其中P0 ALT的控制优先级高于P0 DIR.设计时可以通过设定P0 ALT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P0 DIR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.
  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,512B ROM用于存储引导程序.上电后,它可将EEPROM中存储的程序下载到4kB RAM的程序运行空间,另外的256B RAM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:
  Peramble ADDR PAYLOAD CRC
  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,同时也使得开发变得简单,而且可以降低了成本.
  nRF24E1体积小、功耗低,因此非常适用于对体积和功耗要求较高的应用场合.可广泛应用于计算机外设、无线耳机、玩具、游戏手柄、汽车电子、医疗器械、遥控和工业传感器等方面.图3所示是nRF24E1的应用电路.图中,nRF24E1通过SPI口与EEPROM进行连接.上电后,电路可在512B ROM中存储的引导程序的控制下,通过SPI将EEPROM中存储的用户程序传送至nRF24E1的4kB RAM程序运行空间中, 以把控制的任务转到用户程序,这样通过SPI口就可以与其它器件进行通讯了.
  当上电后,首先必须对无线收发器nRF2401的配置字进行初始化,这可通过8051对配置字写数据来实现.