2.4GHz无线收发芯片nRF24E1的原理及应用

    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（６×６ｍｍ）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

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：

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。