ANT协议的无线收发器nRF24AP1

2012-03-01 15:42:49来源: 互联网

1 nRF24AP1简介

  nRF24AP1是针对无线个人网络(PAN)互连的单片式嵌入协议栈的超低功耗无线收发器,工作在2.4 GHz ISM频段。它支持点对点、点对多点通信,具有125个频点,空中接口的最高传输速率可达到1 Mb/s,实际用户数据速率可达20 Kb/s。采用SoC方法设计,只需少量外围元件便可组成射频收发电路。ANT协议集成在器件内部.参数全部通过串口消息配置,应用方便,缩短了开发周期。

  

 

  2封装与引脚功能

  nRF24AP1采用5 mm×5 mm的24引脚QFN封装,它的引脚排列如图1所示(顶视图)。其引脚功能如表1所列。

  

 

  3 内部结构

  nRF24AP1的内部结构如图2所示。它包含异步串行接口UART、时钟模块、ANT协议机和1 Mb/s的射频收发信机等4个模块。nRF24AP1可通过简单的同步或异步串口实现与外部主机的通信,也可将nRF24AP1看作一个黑盒的无线解决方案,无需深入理解物理层和协议,仅需通过串口配置信道参数,就可发送或接收数据消息。nRF24AP1执行配置任务,并通过空中接口完成与其他设备间的消息包的发送与接收。

4工作模式

  nRF24AP1直 接与单片机的串口连接,可以通过配置不同参数实现工作模式选择。在异步串口工作模式时,端口选择模式引脚PORTSEL置为低电平,速度设置引脚BR2、 BR1设定不同组合,得到所需的异步串口的波特率,如表2所示。另外,异步串口控制引脚RTS具有控制数据传输作用,当每次接收正确格式的消息后约 50μs,RTS信号置为低电平,MCU向nRF24AP1传输数据。当RTS信号置为高电平,MCU不再向nRF24AP1传输任何数据,直到RTS被恢复为低电平。而nRF24AP1向MCU传输数据,由于nRF24AP1不具备流控制功能,要求外部MCU能随时接收数据。

  

 

  nRF24AP1具有"休眠"和"待机"两种低功耗工作模式。在不需要串口通信时将SLEEP信号置为高电平,使nRF24AP1进入休眠状态达到省电目的。当SLEEP信号置为低电平时,nRF24AP1处于准备接收串口数据状态,此时nRF24AP1不会进入待机模式。不论nRF24AP1处于何种工作模式下,只要将待机模式控制引脚SUSPEND置为低电平,nRF24AP1将立即中断所有射频和串口操作,进入省电状态。但进入与退出待机工作模式还需要SLEEP信号的配合。只有在SLEEP引脚置为高电平时,待机模式控制引脚SUSPEND置为低电平才能有效。而退出待机工作模式时,只有将SLEEP信号重新置为低电平。

  5在智能家居中的应用

  内嵌ANT协议的nRF24AP1无线收发器适用于短距离无线收发模块,是智能家居、传感器网络、工业自动化、体育场监控等领域的理想解决方案。

  硬件设计电路方面,处理器模块选用AVR系列的ATmega16L单片机,用于节点设备的控制、任务调度、能量计算以及功能协调,无线收发模块则选用nRF24AP1,用于节点间的数据收发,nRF24AP1与MCU之间通过异步串口方式实现通信,其工作电压为3 V,选择CR2032锂离子电池作为节点电源,时钟由16 MHz晶体提供。nRF24AP1逻辑控制引脚均由ATmega16L的I/O端口控制,通过软件灵活更改nRF24AP1的工作模式。nRF24AP1射频信号输出端口的负载阻抗为(100+i175)Ω,需要阻抗匹配电路提高通信效率。nRF24AP1在智能家居中的典型应用电路如图3所示。

  

 

  根据硬件电路设计,硬件驱动实现系统各模块的初始化以及MCU与nRF24AP1之间的通信程序。系统在初始化时除了要注意根据硬件连接设置ATmega16L各通用I/O端口为所需的状态,还要根据所选的nRF24AP1工作模式,利用ATmega16L的I/O端口设置nRF24AP1的控制端口状态。MCU与nRF24AP1之 间采用异步串口方式进行通信,ATmega16L片内集成有USART,简单设置后即可在异步模式下工作。异步数据以1个起始比特、8个数据比特、1个停 止比特以及无奇偶校验的方式进行传输。串口接收与发送均采用中断方式,同时为发送和接收分别设置一个长度为16字节的缓冲区(buffer),缓冲区设有 单独读/写指针,并与缓冲计数器相关联。串口发送的数据首先通过调用函数putchar()写入tx_buffer,再由串口发出。接收数据时,先将接收 到的数据写入rx_buffer,再根据应用需要调用函数getchar()从缓冲区中取得相应的数据,AVR串口接收中断服务程序及函数 getchar()的流程图如图4所示。

  

 

  6 结束语

  nRF24AP1内 嵌ANT协议,该协议结构简单,使用方便,加快开发进程,同时内嵌ANT协议还减少了用户开发成本。利用ANT技术可使系统具有待机和休眠两种状态,节省 电能,而且ANT的时延短,反应快,系统根据需要能快速苏醒并在最短时间内完成传输,并快速回到休眠模式。而竞争者的"低功耗"技术在类似应用中采用相同 的工作模式仅仅可以支持数月或更短的时间。因此,nRF24AP1功耗超低,适用于传感器网络、远程控制系统、智能家居等应用的数据采集、分析处理,具有广阔的市场前景。

关键字:ANT  协议  无线收发器  nRF24AP1

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0301/article_14669.html
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