基于RF芯片nRF401的无线数传模块设计

2012-03-06 17:11:09来源: 互联网

所设计的无线数传模块由单片射频收发芯片NRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片构成,工作在433.92/434.33MHz频段;可方便地嵌入在各种测量和控制系统中进行无线数据传输,在车辆监控、无线抄表、无线232数据通信、计算机遥控遥测系统中应用。

  nRF401是北欧集成电路公司(NORDIC)的产品,是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片,满足欧洲电信工业标准(ETSI)EN300 200-1 V1.2.1。它采用FSK调制解调技术,最高工作速率可以达到20K,发射功率可以调整,最大发射功率是+10dBm。nRF401的天线接口设计为差分天线,以便于使用低成本的PCB天线。它要求非常少的外围元件(约10个),无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件,只需要便宜且易于获得的4MHz晶体,收发天线合一。无需进行初始化和配置,不需要对数据进行曼彻斯特编码,有两个工作频宽(433.92/434.33MHz),工作电压范围可以从2.7-5V,还具有待机模式,可以更省电和高效。

  nRF401无线收发芯片的结构框图如图1所示:内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。发射电路包含有:射频功率放大器、锁相环(PLL),压控振荡器(VCO),频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器,产生电路所需的基准频率。

    其主要特性如下:
 
  工作频率为国际通用的数传频段
  FSK调制,抗干扰能力强,特别适合工业控制场合;
  采用PLL频率合成技术,频率稳定性极好;
  灵敏度高,达到-105dBm(nRF401);
  功耗小,接收状态250 A,待机状态仅为8 A(nRF401);
  最大发射功率达 +10dBm ;
  低工作电压(2.7V),可满足低功耗设备的要求;
  具有多个频道,可方便地切换工作频率 ;
  工作速率最高可达20Kbit/s(RF401);
  仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件,基本无需调试;
  因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,使用无需申请许可证,开阔地的使用距离最远可达1000米 (与具体使用环境及元件参数有关)。

引脚排列和功能

  nRF401无线收发芯片具有20个引脚。

  重要时序参数

  TX与RX之间的切换

  当从RX切换到TX模式时,数据输入脚(DIN)必须保持为高至少1ms才能收发数据。当从TX切换到RX时,数据输出脚(DOUT)要至少3ms以后有数据输出。

    Standby与RX之间的切换

  从待机模式到接收模式,当PWR_UP输入设成1时,经过tSR时间后,DOUT脚输出数据才有效。对 nRF401来说,tST最长的时间是3ms。

    从待机模式到发射模式,所需稳定的最大时间是tST。

    Power Up与TX间的切换

  从加电到发射模式过程中,为了避免开机时产生干扰和辐射,在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低,以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时,TXEN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据。

    从上电到接收模式过程中,芯片将不会接收数据,DOUT也不会有数据输出,直到电压稳定达到2.7V以上,并且至少保持5ms。如果采用外部振荡器,这个时间可以缩短到3ms。

应用电路及设计应注意问题

    在实际应用中,微控制器采用Atmel公司的AT89C52,分别用单片机的P1口各管脚控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS这五个脚即可。

    接口芯片采用美信公司的RS232转换芯片MAX3316,完成单片机和计算机RS232接口的电平转换及数据发送、接收、请求、清除功能。关于此芯片的使用可参见其手册。

    在nRF401芯片使用时,设定好工作频率,进入正常工作状态后,通过单片机根据需要进行收发转换控制,发送/接收数据或进行状态转换。在实际的设计应用中,需要注意以下几个问题:

    1)天线的接入

    ANT1和ANT2是接收时LNA的输入,以及发送时功率放大器的输出。连接nRF401的天线是以差分方式连接到nRF401的。在天线端推荐的负载阻抗是400欧姆,射频功率放大器输出是两个开路输出三极管,配制成差分配对方式,功率放大器的VDD必须通过集电极负载,当采用差分环形天线时,VDD必须通过环形天线的中心输入。

    2)与单片机共用一个晶振

    nRF401可以与单片机共用一个晶振,需要注意从单片机引入的晶体走线不能离数据线或者控制线太近。

    PCB布局和去耦设计 印刷电路板(PCB)的设计直接关系到射频性能,为了获得较好的RF性能,PCB设计至少需要两层板来实现,PCB分成射频电路和控制电路两部分布置。nRF401采用PCB天线,在天线的下面没有接地面。射频部分的电源与数字电路部分的电源分离。

    为了减少分布参数的影响,在PCB应该避免长的电源走线,所有元件地线,VDD连接线,VDD去耦电容必须离nRF401尽可能的近。nRF401的电源必须经过很好的滤波,并且与数字电路供电分离,在离电源脚VDD尽可能近的地方用高性能的电容去耦,最好是一个小电容和一个大电容相并联。pcb板顶层和底层最好敷铜接地,把这两层的敷铜用较多的过孔紧密相连,再将VSS脚连接到敷铜面。所有开关信号和控制信号都不能经过PLL环路滤波器元件和VCO电感附近。

    对nRF401的PCB布局来说,VCO电感的位置是非常重要的。nRF401VCO电感位置的最佳设计是保证产生1.1 0.2V的PLL环路滤波器电压,这个电压可以从FILT1(pin4)测得。

通信协议的设计

    nRF401在很多时候用在便携及移动式设备,在这种应用中需要尽可能长时间的工作,考虑到电池的能耗,往往需要考虑节能和低功耗设计的问题。为了节能,nRF401平时大多数情况下应处于关闭状态,由于无线部分硬件上是不具备自动唤醒功能的,为了达到节能的目的,必须通过软件方式采用合理的通信协议以保证节能同时不丢失数据。

    1)首先每次发送应该有一个前置码,通常可采用101010101010……,持续一个给定的周期(比如1秒),这个前置码是节能的基础。

    2)接收端平时可以开启接收几个毫秒,如果没有收到规定的前置101010101010……,然后关闭约1秒,通过检测前置码而获得同步。开关的时间比也就是工作的占空比,增加前置码的周期可以减少工作的时间,从而减少平均工作电流;需要注意的是增加前置码的长度虽然可以降低功耗,但是会降低系统的响应速度,需要根据系统的要求进行确定。

软件设计

    在设计程序时,要注意各状态转换的时延。nRF401的通讯速率最高为20kbit/s,发送数据之前需将电路置于发射模式;接收模式转换为发射模式的转换时间至少为1ms;可以发送任意长度的数据;发射模式转换为接收模式的转换时间至少为3ms。在待机模式时,电路进入待机状态,电路不接收和发射数据。待机模式转换为发射模式的转换时间至少为4ms;待机模式转换为接收模式的转换时间至少为5.0ms。

关键字:RF芯片  nRF401  无线数传

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/0306/article_14778.html
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