系統(tǒng)級(jí)RF芯片nRF24E1收發(fā)原理與應(yīng)用編程

    摘要：從應(yīng)用的角度出發(fā)，闡述系統(tǒng)級(jí)RF收發(fā)芯片nRF24E1的RADIO口控制方法和工作過(guò)程；分析nRF24E1的收發(fā)方式；詳細(xì)介紹ShockBUrst技術(shù)、DuoCeiver技術(shù)和應(yīng)用中器件的配置方法并通過(guò)代碼說(shuō)明實(shí)際應(yīng)用中的編程方法。

    關(guān)鍵詞：nRF24E1 射頻 無(wú)線通信 配置

引言

nRF24E1收發(fā)器是Nordic VLSI推出的系統(tǒng)級(jí)射頻芯片，采用先進(jìn)的0.18μm CMOS工藝、6mm×6mm的36引腳QFN封裝，以nRF240 RF芯片結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，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(tǒng)級(jí)芯片。

由于nRF24E1片內(nèi)集成了RADIO模塊，在使用中，只需要一片nRF24E1和少數(shù)的外圍元件就能完成射頻收發(fā)功能，因此，大大減少了系統(tǒng)的體積。使用nRF24E1時(shí)，必須進(jìn)行相應(yīng)的配置工作。下面，詳細(xì)講述nRF24E1的收發(fā)原理和編程方法，以供讀者設(shè)計(jì)時(shí)參考。有關(guān)nRF24E1的介紹請(qǐng)見(jiàn)2004年第6期。

1 RADIO口

nRF24E1收發(fā)器的收發(fā)任務(wù)由RADIO口控制。RADIO口使用標(biāo)準(zhǔn)8051中的P2口地址。由于射頻收發(fā)器是片內(nèi)置的，并不是雙向工作。為了滿(mǎn)足射頻收發(fā)子系統(tǒng)的需要，RADIO口的默認(rèn)值與標(biāo)準(zhǔn)8051的P2默認(rèn)值也不一樣。

收發(fā)器由特殊功能豁口中的RADIO（0A0H）和SPI_CTRL(0B3H)控制。SPI_CTRL=00B時(shí)，SPI沒(méi)用；SPI_CTRL=01B時(shí)，SPI連接到P1口；SPI_CTRL=10B時(shí)，SPI連到第一個(gè)nRF2401頻道；SPI_CTRL=11B時(shí)，SPI連接到第二個(gè)nRF2401頻道。RADIO豁口的各個(gè)位如圖1所示。在nRF24E1頭文件中，所定義的各個(gè)位的名字與圖1中一樣。

（1）用SPI口控制收發(fā)器

用芯片內(nèi)嵌的SPI口控制收發(fā)器的操作非常方便。如RF配置和ShockBurst RX（接收）或TX（發(fā)送）。

（2）復(fù)位時(shí)RADIO口的狀態(tài)

復(fù)位引腳為高電平時(shí)（無(wú)論是時(shí)鐘是否有效），控制nRF2401收發(fā)子系統(tǒng)的RADIO輸出位默認(rèn)為RADIO.3（CS）=0，RADIO.6（CE）=0，RADIO.7(PWR_UP)=1。程序運(yùn)行后，保持默認(rèn)值，直到程序通過(guò)RADIO寄存器改變各位的值。

2 收發(fā)方式

通過(guò)PWR_UP、CE和CS三個(gè)控制引腳，可以設(shè)置nRF2401的工作方式。PWR_UP=1，CE=1，CS=0為收發(fā)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(shí)關(guān)機(jī)。

2.1 ShockBurst

nRF24E1的nRF2401收發(fā)子系統(tǒng)的收發(fā)方式只有ShockBurst。ShockBurst的功能由配置字決定。ShockBurst技術(shù)使用了片內(nèi)的FIFO（先入先出）堆棧。雖然數(shù)據(jù)低速進(jìn)入，但能高速發(fā)送，使能耗減到最低限度。

（1）ShockBurst發(fā)送

CPU接口引腳為CE、CLK1、DATA，工作流程如下：

①CPU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，把CE置高，nRF2401開(kāi)始工作。

②接收節(jié)點(diǎn)地址和有效數(shù)據(jù)按時(shí)序被送到nRF2401子系統(tǒng)，可通過(guò)應(yīng)用協(xié)議或CPU設(shè)置，使這個(gè)速度小于1Mbps(如10kbps)。

③CPU把CE置低，激活ShockBurst發(fā)送。

④ShockBurst。

*給RF前端供電；

*完成RF包處理（加前綴，CRC校驗(yàn)）；

*數(shù)據(jù)高速發(fā)送（250kbps或1Mbps，可由用戶(hù)配置決定）；

*發(fā)送完成，nRF2401返回空閑信號(hào)。

（2）ShockBurst接收

CPU的接口引腳為CE、DR1、CLK1、DATA，工作流程如下：

①校驗(yàn)接收到的RF包的地址和欲接收的RF包中有效數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度。

②把CE置高，激活RX。

③經(jīng)過(guò)200μs處理，nRF2401子系統(tǒng)監(jiān)視啟動(dòng)并等待信號(hào)的到來(lái)。

④當(dāng)收到一個(gè)有效的數(shù)據(jù)包（正確的地址和CRC），nRF2401子系統(tǒng)移去前綴、地址和CRC位。

⑤nRF2401子系統(tǒng)通過(guò)把DR1置高來(lái)通知CPU。

⑥CPU把CE置低，把RF前端設(shè)為低功耗方式。

⑦CPU將按時(shí)序以適當(dāng)?shù)乃俣龋ㄈ?0kbps）把有效數(shù)據(jù)取出。

⑧當(dāng)所有的有效數(shù)據(jù)都送完，nRF2401子系統(tǒng)再次把DR1置低。如果CE保持為高，準(zhǔn)備接收下一個(gè)數(shù)據(jù)包；CE為低，重新開(kāi)始新的接收。

2.2 DuoCeiver

ShockBurst收發(fā)方式使nRF24E1能夠方便地同時(shí)接收兩個(gè)不同頻率的頻道發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且能夠使接收速度達(dá)到最大值。這意味著：

*nRF24E1通過(guò)一個(gè)天線，能夠接收兩個(gè)頻率相差8MHz（8個(gè)頻率通道）的1Mbps發(fā)射器（如nRF24E1、nRF2401或nRF2402）發(fā)送的數(shù)據(jù)。

*這兩個(gè)不同數(shù)據(jù)頻道的數(shù)據(jù)被分別送到兩套不同的接口——數(shù)據(jù)頻道1為CLK1、DATA和DR1，數(shù)據(jù)頻道2為CLK2、DOUT2和DR2。

DuoCeiver技術(shù)提供了兩個(gè)獨(dú)立、專(zhuān)用于接收的數(shù)據(jù)頻道，而不是采用兩個(gè)相互獨(dú)立的接收器。使用第二個(gè)數(shù)據(jù)頻道必須滿(mǎn)足要求：第二數(shù)據(jù)頻道的工作頻率至少比第一個(gè)頻道的工作頻率高8MHz。使用ShockBurst技術(shù)，CPU先取出其中一個(gè)數(shù)據(jù)頻道中的數(shù)據(jù)，另一數(shù)據(jù)頻道中的數(shù)據(jù)等待CPU處理完。這樣不至于丟失數(shù)據(jù)；同時(shí)，也降低了對(duì)CPU性能的要求。

3 器件配置

在配置方式下，配置字最高可達(dá)18字節(jié)。nRF2401子系統(tǒng)的配置字通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)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(tǒng)能夠處理RF協(xié)議。在實(shí)際操作中，一旦完成協(xié)議并裝入了nRF2401子系統(tǒng)，只有1字節(jié)（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(jiàn)表2）：

*有效數(shù)據(jù)寬度（DATA2_W和DATA1_W），指明RF包中有效數(shù)據(jù)的位數(shù)，這使nRF2401子系統(tǒng)能夠區(qū)分接收到數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)和CRC字節(jié)；

*地址寬度（ADDR2和ADDR1），設(shè)置RF數(shù)據(jù)包中地址字節(jié)所占用的位數(shù)，最高為40位，這使nRF2401字節(jié)系統(tǒng)能夠區(qū)分地址和有效數(shù)據(jù)；

*接收頻道地址（ADDR_W），即接收數(shù)據(jù)的目標(biāo)地址；

*CRC配置（CRC_L和CRC_EN），CRC_L用于設(shè)置CRC為8位或16位校驗(yàn)，CRC_L=0為8位，CRC_L=1為16位，CRC_EN使能片內(nèi)的CRC。

在發(fā)送方式，CPU必須產(chǎn)生與接收數(shù)據(jù)的nRF2401子系統(tǒng)配置相同的地址和有效數(shù)據(jù)塊。當(dāng)使用nRF240子系統(tǒng)片內(nèi)的CRC特性時(shí)，注意CRC是否已經(jīng)使能，并且注意在發(fā)送器和接收器上使用相同的長(zhǎng)度。

3.2 配置字描述

配置字的讀取在CLK1的正邊沿時(shí)，從MSB（最高位）開(kāi)始。新的配置從CS的下降沿開(kāi)始。假如nRF2401子系統(tǒng)需要配置為ShockBurst方式，兩個(gè)接收頻道，則在VDD（芯片電源）上電后，只需120位的配置字。在協(xié)議、工作方式和接收頻道都配置好后，只需要1位（RXEN）來(lái)切換是接收或發(fā)射。在配置字被讀取的過(guò)程中，MSB（最高位）最先被讀到寄存器中。默認(rèn)配置字為：h8E08.1C20.2000.0000.00E7.0000.E721.0F04,共18字節(jié)，可根據(jù)需要進(jìn)行取舍。

ShockBurst數(shù)據(jù)包的總位數(shù)最多不能超過(guò)256位，可通過(guò)式（1）計(jì)算有效數(shù)據(jù)的最大位數(shù)。

DATAx_W(bits)=256-ADDR_W-CRC (1)

其中：ADDR_W為配置字中B[32:18]所設(shè)置的接收地址的長(zhǎng)度，8位～40位；CRC為配置字B[17]所設(shè)置的校驗(yàn)字，8位或16位。4位或8位前綴是自動(dòng)加進(jìn)去的，不占用數(shù)據(jù)包的位數(shù)。由式（1）可知，要想在每個(gè)數(shù)據(jù)包中得到更長(zhǎng)的有效數(shù)據(jù)，可減少地址和CRC校驗(yàn)位。

3.3 收發(fā)常用的配置

在兩個(gè)接收頻道的方式下，nRF24E1同時(shí)接收來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同頻率頻道的數(shù)據(jù)。第一個(gè)頻道的頻率在配置字B[7-1]中設(shè)置，第二個(gè)頻道通常比第一個(gè)頻道的頻率高8MHz。RX2_EN(B[15])為第二個(gè)頻道的使能位：RX2_EN=0時(shí)，第二個(gè)頻道不工作；RX2_EN=1時(shí)，第二個(gè)頻道使能。RFDR_SB為收發(fā)速率設(shè)置位：RFDR_SB(B[13])=0時(shí)，收發(fā)速率為250kbps；RFDR_SB=1時(shí)，收發(fā)速率為1Mbps。16MHz晶振時(shí)，250kbps的收發(fā)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(shè)置nRF24E1射頻輸出功率。

RF_CH#(B[7-1])設(shè)置nRF24E1的工作頻率，可通過(guò)式（2）計(jì)算發(fā)射頻率和頻道1的接收頻率，通過(guò)式（3）計(jì)算頻道2的接收頻率。RXEN為收發(fā)切換位。

ChannelRF=2400MHz+RF_CH#×1.0MHz (2)

ChannelRF=2400MHz+RF_CH#×1.0MHz+8MHz (3)

4 數(shù)據(jù)包描述

完整的射頻數(shù)據(jù)包由四部分組成：前綴、地址、有效數(shù)據(jù)和CRC。前綴一般是8位，也要吧設(shè)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(shù)據(jù)包后自動(dòng)移去只留有效數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)用中的程序

下面所述的程序都是在Keil C51 V7.07下調(diào)試通過(guò)的。限于篇幅，只分析其中的主要函數(shù)代碼。

（1）系統(tǒng)初始化函數(shù)

void Init(void){

//配置I/O口

P0_ALT=0x06;//P0_ALT=00000110B,P0.1為RXD，P0.2為T(mén)XD

P0_DIR=0x09;//P0_DIR=00001001B，P0.0和P0.3設(shè)為輸入

P1_DIR=0x03;//P1_DIR=00000011B,P1.0和P1.1設(shè)為輸入

…………//其它I/O口配置

PWR_UP=1;//開(kāi)Radio，讀時(shí)不用，寫(xiě)時(shí)為電源

SPICLK=0；//SPI時(shí)鐘為XTAL/8

SPI_CTRL=0x02;//把SPI與第一收發(fā)通道（CH1）相連

…………//串口配置、A/D配置等，或自己系統(tǒng)相關(guān)的一些配置

}

（2）接收器配置函數(shù)

void Init_Receiver(void){

unsigned char b;

CS=1;//打開(kāi)配置方式

for（b=0;b<rconf.n;b++）{ //b<15

SpiReadWrite(rconf.buf[b]); //發(fā)送接收器配置字

}

CS=0； //關(guān)配置方式

CE=1； //使能收發(fā)功能

}

（3）接收函數(shù)

void Receiver(void){

unsigned char b;

CS=1; //打開(kāi)配置方式

for(b=0;b<rconf.n;b++){

SpiReadWrite(rconf.buf[b]); //發(fā)送接收器配置字

}

CS=0； //關(guān)配置方式

for(;;){

b=ReceivePacket(); //接收數(shù)據(jù)包

…………//接收后的處理函數(shù)等，可自己擴(kuò)展

}

}

（4）發(fā)送函數(shù)

void Transmitter(void){

unsigned char b;

CS=1; //開(kāi)配置方式

for(b=0;b<tconf.n;b++){

SpiReadWrite(tconf.buf[b]);//發(fā)送發(fā)送器配置字

}

CS=0； //關(guān)配置方式

b=KeyByte; //讀取數(shù)據(jù)

TransmitPacket(b); //發(fā)送數(shù)據(jù)

}

（5）其它

nRF24E1程序除了主要的初始化配置函數(shù)、接收器配置函數(shù)、接收函數(shù)和發(fā)送函數(shù)外，還有接收包處理函數(shù)、發(fā)送包處理函數(shù)、接收器配置字和發(fā)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(jié)的ROM，所以，在使用過(guò)程中，要擴(kuò)展片外存儲(chǔ)器（Nordic公司推薦使用25320）。應(yīng)用中，當(dāng)VDD上電后，芯片通過(guò)SPI接口自動(dòng)從片外存儲(chǔ)器讀取數(shù)據(jù)到片內(nèi)4KB和RAM中以便程序運(yùn)行時(shí)使用。