2.4GHz射频收发芯片nRF2401及其应用

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
作者Email: liekie@sina.com 摘 要:本文介绍了工作于2.4GHz ISM频段的射频收发芯片nRF2401的芯片结构、引脚功能、工作模式、接收与发送的工作流程,详细描述了nRF2401的器件配置,给出了应用电路图,分析了PCB设计时应该注意的问题,最后对全文进行了总结。 关键词:nRF2401;射频;无线通信;收发芯片 1. 引言 nRF2401是单片射频收发芯片,工作于2.4~2.5GHz ISM频段,芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块,输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低,以-5dBm的功率发射时,工作电流只有10.5mA,接收时工作电流只有18mA,多种低功率工作模式,节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线,同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合,如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。 2. 芯片结构、引脚说明 2.1 芯片结构    nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器,功率放大器等功能模块,需要很少的外围元件,因此使用起来非常方便。QFN24引脚封装,外形尺寸只有5%26;#215;5mm。nRF2401的功能模块如图1所示。 2.2 引脚说明 表1:nRF2401引脚 3. 工作模式 nRF2401有工作模式有四种:收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三个引脚决定,详见表2。 表2:nRF2401工作模式 3.1 收发模式 nRF2401的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种,收发模式由器件配置字决定,具体配置将在器件配置部分详细介绍。 3.1.1 ShockBurstTM收发模式   ShockBurstTM收发模式下,使用片内的先入先出堆栈区,数据低速从微控制器送入,但高速(1Mbps)发射,这样可以尽量节能,因此,使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行,这种做法有三大好处:尽量节能;低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射);数据在空中停留时间短,抗干扰性高。nRF2401的ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。 在ShockBurstTM收发模式下,nRF2401自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时,自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时,自动加上字头和CRC校验码,当发送过程完成后,数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。 3.1.1.1 ShockBurstTM发射流程 接口引脚为CE,CLK1,DATA A. 当微控制器有数据要发送时,其把CE置高,使nRF2401工作; B. 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401; C. 微控制器把CE置低,激发nRF2401进行ShockBurstTM发射; D. nRF2401的ShockBurstTM发射 %26;sup2; 给射频前端供电; %26;sup2; 射频数据打包(加字头、CRC校验码); %26;sup2; 高速发射数据包; %26;sup2; 发射完成,nRF2401进入空闲状态。 3.1.1.2 ShockBurstTM接收流程   接口引脚CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1) A. 配置本机地址和要接收的数据包大小; B. 进入接收状态,把CE置高; C. 200us后,nRF2401进入监视状态,等待数据包的到来; D. 当接收到正确的数据包(正确的地址和CRC校验码),nRF2401自动把字头、地址和CRC校验位移去; E. nRF2401通过把DR1(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器; F. 微控制器把数据从nRF2401移出; G. 所有数据移完,nRF2401把DR1置低,此时,如果CE为高,则等待下一个数据包,如果CE为低,开始其它工作流程。 3.1.2直接收发模式 在直接收发模式下,nRF2401如传统的射频收发器一样工作。 3.1.2.1直接发送模式   接口引脚为CE、DATA A. 当微控制器有数据要发送时,把CE置高; B. nRF2401射频前端被激活; C. 所有的射频协议必须在微控制器程序中进行处理(包括字头、地址和CRC校验码)。 3.1.2.2直接接收模式   接口引脚为CE、CLK1和DATA A. 一旦nRF2401被配置为直接接收模式,DATA引脚将根据天线接收到的信号开始高低变化(由于噪声的存在); B. CLK1引脚也开始工作; C. 一旦接收到有效的字头,CLK1引脚和DATA引脚将协调工作,把射频数据包以其被发射时的数据从DATA引脚送给微控制器; D. 这头必须是8位; E. DR引脚没用上,所有的地址和CRC校验必须在微控制器内部进行。 3.2 配置模式 在配置模式,15字节的配置字被送到nRF2401,这通过CS、CLK1和DATA三个引脚完成,具体的配置方法请参考本文的器件配置部分。 3.3 空闲模式 nRF2401的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计,其最大的优点是,实现节能的同时,缩短芯片的起动时间。在空闲模式下,部分片内晶振仍在工作,此时的工作电流跟外部晶振的频率有关,如外部晶振为4MHz时工作电流为12uA,外部晶振为16MHz时工作电流为32uA。在空闲模式下,配置字的内容保持在nRF2401片内。 3.4 关机模式 在关机模式下,为了得到最小的工作电流,一般此时的工作电流小于1uA。关机模式下,配置字的内容也会被保持在nRF2401片内,这是该模式与断电状态最大的区别。 4. 器件配置 nRF2401的所有配置工作都是通过CS、CLK1和DATA三个引脚完成,把其配置为ShockBurstTM收发模式需要15字节的配置字,而如把其配置为直接收发模式只需要2字节的配置字。由上文对nRF2401工作模式的介绍,我们可以知道,nRF2401一般工作于ShockBurstTM收发模式,这样,系统的程序编制会更加简单,并且稳定性也会更高,因此,下文着重介绍把nRF2401配置为ShockBurstTM收发模式的器件配置方法。 ShockBurstTM的配置字使nRF2401能够处理射频协议,在配置完成后,在nRF2401工作的过程中,只需改变其最低一个字节中的内容,以实现接收模式和发送模式之间切换。ShockBurstTM的配置字可以分为以下四个部分: 数据宽度:声明射频数据包中数据占用的位数。这使得nRF2401能够区分接收数据包中的数据和CRC校验码; 地址宽度:声明射频数据包中地址占用的位数。这使得nRF2401能够区分地址和数据; 地址:接收数据的地址,有通道1的地址和通道2的地址; CRC:使nRF2401能够生成CRC校验码和解码。 当使用nRF2401片内的CRC技术时,要确保在配置字中CRC校验被使能,并且发送和接收使用相同的协议。nRF2401配置字的各个位的描述如表3所示。  表3:nRF2401配置字描述 在配置模式下,注意保证PWR_UP引脚为高电平,CE引脚为低电平。配置字从最高位开始,依次送入nRF2401。在CS引脚的下降沿,新送入的配置字开始工作。 5. 应用电路 [b] [/b]  图2为nRF2401的应用电路,由图可知,其只需要14个外围元件。nRF2401应用电路一般工作于3V,它可用多种低功耗微控制器进行控制。在设计过程中,设计者可使用单鞭天线或环形天线,上图为50欧姆单鞭天线的应用电路。在使用不同的天线时,为了得到尽可能大的收发距离,电感电容的参数应适当调整。 6. PCB设计 PCB设计对nRF2401的整体性能影响很大,所以PCB设计在nRF2401收发系统的开发过程中主要的工作之一,在PCB设计时,必须考虑到各种电磁干扰,注意调整电阻、电容和电感的位置,特别要注意电容的位置。 nRF2401的PCB一般都是双层板,底层一般不放置元件,为地层,顶层的空余地方一般都敷上铜,这些敷铜通过过孔与底层的地相连。直流电源及电源滤波电容尽量靠近VDD引脚。nRF2401的供电电源应通过电容隔开,这样有利于给nRF2401提供稳定的电源。在PCB中,尽量多打一些通孔,使顶层和底层的地能够充分接触。 7. 结束语 nRF2401通过ShockBurstTM收发模式进行无线数据发送,收发可靠,其外形尺寸小,需要的外围元器件也少,因此,使用方便,在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。

关键字:4ghz  射频  收发  芯片

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