2.4GHz无线收发芯片nRF24E1的原理及应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
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 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%26;#215;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。 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,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。 图3 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。 6 结束语 众所周知,蓝牙芯片也工作在2.4GHz频段,但由于其成本一直居高不下,产品也很难开发,因此到目前为止,蓝牙的市场产品还很少。另外,市场也尚未出现非要蓝牙不可的应用需求,这样,蓝牙的一些市场定位便能够轻易的被其他更专业的产品所取代,nRF24E1就是其中很有价格优势和较容易开发的一种,可用来代替一些领域的蓝牙应用需求。

关键字:无线  收发  芯片  原理

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