系統級RF芯片nRF24E1收發原理與應用編程

文章出處：http://hz-huyue.com 作者：21IC   人氣： 發表時間：2011年10月20日

引言nRF24E1收發器是Nordic VLSI推出的系統級射頻芯片，采用先進的0.18μm CMOS工藝、6mm×6mm的36引腳QFN封裝，以nRF240 RF芯片結構為基礎，將射頻率、8051MCU、9輸入10位ADC、125通道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中，是目前世界首次推出的、全球2.4GHz通用的、完事的低成本射頻系統級芯片。由于nRF24E1片內集成了RADIO模塊，在使用中，只需要一片nRF24E1和少數的外圍元件就能完成射頻收發功能，因此，大大減少了系統的體積。使用nRF24E1時，必須進行相應的配置工作。下面，詳細講述nRF24E1的收發原理和編程方法，以供讀者設計時參考。有關nRF24E1的介紹請見2004年第6期。1 RADIO口nRF24E1收發器的收發任務由RADIO口控制。RADIO口使用標準8051中的P2口地址。由于射頻收發器是片內置的，并不是雙向工作。為了滿足射頻收發子系統的需要，RADIO口的默認值與標準8051的P2默認值也不一樣。收發器由特殊功能豁口中的RADIO（0A0H）和SPI_CTRL(0B3H)控制。SPI_CTRL=00B時，SPI沒用；SPI_CTRL=01B時，SPI連接到P1口；SPI_CTRL=10B時，SPI連到第一個nRF2401頻道；SPI_CTRL=11B時，SPI連接到第二個nRF2401頻道。RADIO豁口的各個位如圖1所示。在nRF24E1頭文件中，所定義的各個位的名字與圖1中一樣。（1）用SPI口控制收發器用芯片內嵌的SPI口控制收發器的操作非常方便。如RF配置和ShockBurst RX（接收）或TX（發送）。（2）復位時RADIO口的狀態復位引腳為高電平時（無論是時鐘是否有效），控制nRF2401收發子系統的RADIO輸出位默認為RADIO.3（CS）=0，RADIO.6（CE）=0，RADIO.7(PWR_UP)=1。程序運行后，保持默認值，直到程序通過RADIO寄存器改變各位的值。2 收發方式通過PWR_UP、CE和CS三個控制引腳，可以設置nRF2401的工作方式。PWR_UP=1，CE=1，CS=0為收發方式；PWR_UP=1，CE=0，CS=1為配置方式；PWR_UP=1，CE=0，CS=0為空閑方式；PWPWR_UP=0時關機。2.1 ShockBurstnRF24E1的nRF2401收發子系統的收發方式只有ShockBurst。ShockBurst的功能由配置字決定。ShockBurst技術使用了片內的FIFO（先入先出）堆棧。雖然數據低速進入，但能高速發送，使能耗減到最低限度。（1）ShockBurst發送CPU接口引腳為CE、CLK1、DATA，工作流程如下：①CPU有數據要發送時，把CE置高，nRF2401開始工作。②接收節點地址和有效數據按時序被送到nRF2401子系統，可通過應用協議或CPU設置，使這個速度小于1Mbps(如10kbps)。③CPU把CE置低，激活ShockBurst發送。④ShockBurst。*給RF前端供電；*完成RF包處理（加前綴，CRC校驗）；*數據高速發送（250kbps或1Mbps，可由用戶配置決定）；*發送完成，nRF2401返回空閑信號。（2）ShockBurst接收CPU的接口引腳為CE、DR1、CLK1、DATA，工作流程如下：①校驗接收到的RF包的地址和欲接收的RF包中有效數據的長度。②把CE置高，激活RX。③經過200μs處理，nRF2401子系統監視啟動并等待信號的到來。④當收到一個有效的數據包（正確的地址和CRC），nRF2401子系統移去前綴、地址和CRC位。⑤nRF2401子系統通過把DR1置高來通知CPU。⑥CPU把CE置低，把RF前端設為低功耗方式。⑦CPU將按時序以適當的速度（如10kbps）把有效數據取出。⑧當所有的有效數據都送完，nRF2401子系統再次把DR1置低。如果CE保持為高，準備接收下一個數據包；CE為低，重新開始新的接收。2.2 DuoCeiverShockBurst收發方式使nRF24E1能夠方便地同時接收兩個不同頻率的頻道發送的數據，并且能夠使接收速度達到最大值。這意味著：*nRF24E1通過一個天線，能夠接收兩個頻率相差8MHz（8個頻率通道）的1Mbps發射器（如nRF24E1、nRF2401或nRF2402）發送的數據。*這兩個不同數據頻道的數據被分別送到兩套不同的接口——數據頻道1為CLK1、DATA和DR1，數據頻道2為CLK2、DOUT2和DR2。DuoCeiver技術提供了兩個獨立、專用于接收的數據頻道，而不是采用兩個相互獨立的接收器。使用第二個數據頻道必須滿足要求：第二數據頻道的工作頻率至少比第一個頻道的工作頻率高8MHz。使用ShockBurst技術，CPU先取出其中一個數據頻道中的數據，另一數據頻道中的數據等待CPU處理完。這樣不至于丟失數據；同時，也降低了對CPU性能的要求。3 器件配置在配置方式下，配置字最高可達18字節。nRF2401子系統的配置字通過一個簡單的三線接口（CS、CLK1和DATA）送給配置寄存器。3.1 ShockBurst的配置ShockBurst方式配置字的作用是使nRF2401子系統能夠處理RF協議。在實際操作中，一旦完成協議并裝入了nRF2401子系統，只有1字節（bit[7:0]）的配置字需要更新。用于ShockBurst的配置字分為如下四塊（詳見表2）：*有效數據寬度（DATA2_W和DATA1_W），指明RF包中有效數據的位數，這使nRF2401子系統能夠區分接收到數據包中的有效數據和CRC字節；*地址寬度（ADDR2和ADDR1），設置RF數據包中地址字節所占用的位數，最高為40位，這使nRF2401字節系統能夠區分地址和有效數據；*接收頻道地址（ADDR_W），即接收數據的目標地址；*CRC配置（CRC_L和CRC_EN），CRC_L用于設置CRC為8位或16位校驗，CRC_L=0為8位，CRC_L=1為16位，CRC_EN使能片內的CRC。在發送方式，CPU必須產生與接收數據的nRF2401子系統配置相同的地址和有效數據塊。當使用nRF240子系統片內的CRC特性時，注意CRC是否已經使能，并且注意在發送器和接收器上使用相同的長度。3.2 配置字描述配置字的讀取在CLK1的正邊沿時，從MSB（最高位）開始。新的配置從CS的下降沿開始。假如nRF2401子系統需要配置為ShockBurst方式，兩個接收頻道，則在VDD（芯片電源）上電后，只需120位的配置字。在協議、工作方式和接收頻道都配置好后，只需要1位（RXEN）來切換是接收或發射。在配置字被讀取的過程中，MSB（最高位）最先被讀到寄存器中。默認配置字為：h8E08.1C20.2000.0000.00E7.0000.E721.0F04,共18字節，可根據需要進行取舍。ShockBurst數據包的總位數最多不能超過256位，可通過式（1）計算有效數據的最大位數。DATAx_W(bits)=256-ADDR_W-CRC (1)其中：ADDR_W為配置字中B[32:18]所設置的接收地址的長度，8位～40位；CRC為配置字B[17]所設置的校驗字，8位或16位。4位或8位前綴是自動加進去的，不占用數據包的位數。由式（1）可知，要想在每個數據包中得到更長的有效數據，可減少地址和CRC校驗位。3.3 收發常用的配置在兩個接收頻道的方式下，nRF24E1同時接收來自兩個不同頻率頻道的數據。第一個頻道的頻率在配置字B[7-1]中設置，第二個頻道通常比第一個頻道的頻率高8MHz。RX2_EN(B[15])為第二個頻道的使能位：RX2_EN=0時，第二個頻道不工作；RX2_EN=1時，第二個頻道使能。RFDR_SB為收發速率設置位：RFDR_SB(B[13])=0時，收發速率為250kbps；RFDR_SB=1時，收發速率為1Mbps。16MHz晶振時，250kbps的收發靈敏度比1Mbps的高10dB。XO_F(B[12-10])為晶振選擇位。RF_PWR(B[9-8])設置nRF24E1射頻輸出功率。RF_CH#(B[7-1])設置nRF24E1的工作頻率，可通過式（2）計算發射頻率和頻道1的接收頻率，通過式（3）計算頻道2的接收頻率。RXEN為收發切換位。ChannelRF=2400MHz+RF_CH#×1.0MHz (2)ChannelRF=2400MHz+RF_CH#×1.0MHz+8MHz (3)4 數據包描述完整的射頻數據包由四部分組成：前綴、地址、有效數據和CRC。前綴一般是8位，也要吧設置為4位，由地址的首位決定。如果地址的首位是0，前綴為01010101；如果地址的首位是1，前綴為10101010。ShockBurst方式，前綴、地址和CRC都是在接收器收到數據包后自動移去只留有效數據。5 應用中的程序下面所述的程序都是在Keil C51 V7.07下調試通過的。限于篇幅，只分析其中的主要函數代碼。（1）系統初始化函數void Init(void){//配置I/O口P0_ALT=0x06;//P0_ALT=00000110B,P0.1為RXD，P0.2為TXDP0_DIR=0x09;//P0_DIR=00001001B，P0.0和P0.3設為輸入P1_DIR=0x03;//P1_DIR=00000011B,P1.0和P1.1設為輸入…………//其它I/O口配置PWR_UP=1;//開Radio，讀時不用，寫時為電源SPICLK=0；//SPI時鐘為XTAL/8SPI_CTRL=0x02;//把SPI與第一收發通道（CH1）相連…………//串口配置、A/D配置等，或自己系統相關的一些配置}（2）接收器配置函數void Init_Receiver(void){unsigned char b;CS=1;//打開配置方式for（b=0;b SpiReadWrite(rconf.buf[b]); //發送接收器配置字}CS=0； //關配置方式CE=1； //使能收發功能}（3）接收函數void Receiver(void){unsigned char b;CS=1; //打開配置方式for(b=0;b SpiReadWrite(rconf.buf[b]); //發送接收器配置字}CS=0； //關配置方式for(;;){b=ReceivePacket(); //接收數據包…………//接收后的處理函數等，可自己擴展}}（4）發送函數void Transmitter(void){unsigned char b;CS=1; //開配置方式for(b=0;b SpiReadWrite(tconf.buf[b]);//發送發送器配置字}CS=0； //關配置方式b=KeyByte; //讀取數據TransmitPacket(b); //發送數據}（5）其它nRF24E1程序除了主要的初始化配置函數、接收器配置函數、接收函數和發送函數外，還有接收包處理函數、發送包處理函數、接收器配置字和發射器配置字等。Keil C51 V7.01及其以且的版本都支持nRF24E1，因此，編程非常方便。由于nRF24E1只有512字節的ROM，所以，在使用過程中，要擴展片外存儲器（Nordic公司推薦使用25320）。應用中，當VDD上電后，芯片通過SPI接口自動從片外存儲器讀取數據到片內4KB和RAM中以便程序運行時使用。