單片2.4GHz無線收發(fā)一體芯片nRF2401及其應(yīng)用

    摘要：nRF2401是挪威Nordic公司推出的單片2.4GHz無線收發(fā)一體芯片。它將射頻、8051MCU、9通道１２位ADC、外圍元件、電感和濾波器全部集成到單芯片中，并采用２.４GHz頻帶和０.18μｍ工藝，可提供ShockBurst、DuoCeiver、片上CRC以及地址計算編碼等功能。文章詳細介紹了nRF2401的結(jié)構(gòu)特點、引腳功能和工作原理，給出了它的典型應(yīng)用電路。

    關(guān)鍵詞：無線收發(fā)器；ShockBurst；DuoCeiver;nRF2401

１　概述

ｎＲＦ２４０１無線收發(fā)一體芯片和藍牙一樣，都工作在２．４ＧＨｚ自由頻段，能夠在全球無線市場暢通無阻。ｎＲＦ２４０１支持多點間通信，最高傳輸速率超過１Ｍｂｉｔ／Ｓ，而且比藍牙具有更高的傳輸速度。它采用ＳｏＣ方法設(shè)計，只需少量外圍元件便可組成射頻收發(fā)電路。與藍牙不同的是，ｎＲＦ２４０１沒有復(fù)雜的通信協(xié)議，它完全對用戶透明，同種產(chǎn)品之間可以自由通信。更重要的是，ｎＲＦ２４０１比藍牙產(chǎn)品更便宜。所以ｎＲＦ２４０１是業(yè)界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。

２　主要特點和引腳功能

ｎＲＦ２４０１的引腳排列如圖１（頂視圖）所示。它采用５ｍｍ×５ｍｍ的２４引腳ＱＦＮ封裝。ｎＲＦ２４０１的主要特點如下：

●采用全球開放的２.４ＧＨｚ頻段，有１２５個頻道，可滿足多頻及跳頻需要；

●速率（１Ｍｂｐｓ）高于藍牙，且具有高數(shù)據(jù)吞吐量；

●外圍元件極少，只需一個晶振和一個電阻即可設(shè)計射頻電路；

●發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟件設(shè)置；

●電源電壓范圍為１.９～３.６Ｖ，功耗很低；

●電流消耗很小，－５ｄＢｍ輸出功率時的典型峰值電流為１０.５ｍＡ；

●芯片內(nèi)部設(shè)置有專門的穩(wěn)壓電路，因此，使用任何電源（包括ＤＣ／ＤＣ開關(guān)電源）均有很好的通信效果；

●每個芯片均可以通過軟件設(shè)置最多４０ｂｉｔ地址，而且只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供一個中斷指示），同時編程也很方便；

●內(nèi)置ＣＲＣ糾檢錯硬件電路和協(xié)議；

●采用ＤｕｏＣｅｉｖｅｒ技術(shù)可同時接收兩個ｎＲＦ２４０１的數(shù)據(jù)；

●采用ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ模式時，能適用極低的功率操作和不嚴格的ＭＣＵ執(zhí)行；

●帶有集成增強型８０５１內(nèi)核、 ９路１０ｂｉｔＡＤＣ、ＵＡＲＴ異步串口、ＳＰＩ串口和ＰＷＭ輸出；

●內(nèi)置看門狗；

●無需外部ＳＡＷ濾波器；

●可１００％ＲＦ檢驗；

●帶有數(shù)據(jù)時隙和數(shù)據(jù)時鐘恢復(fù)功能。

３ 工作原理

ｎＲＦ２４０１的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理及外部組成框圖如圖２所示，下面介紹其工作原理。

３．１ ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ模式

ｎＲＦ２４０１的ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ ＲＸ／ＴＸ模式采用片上先進先出（ＦＩＦＯ）來進行低數(shù)據(jù)率的時鐘同步和高數(shù)據(jù)率的傳輸，因此極大的降低了功耗。

ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ發(fā)射主要通過ＭＣＵ接口引腳ＣＥ、ＣＬＫ１和ＤＡＴＡ來完成。當(dāng)ＭＣＵ請求發(fā)送數(shù)據(jù)時，置ＣＥ為高電平，此時的接收機地址和有效載荷數(shù)據(jù)作為 ｎＲＦ２４０１的內(nèi)部時鐘，可用請求協(xié)議或ＭＣＵ將速率調(diào)至１Ｍｂｐｓ；置ＣＥ為低電平可激活ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ發(fā)射。

ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ接收主要使用ＭＣＵ接口引腳ＣＥ、 ＤＲ１、 ＣＬＫ１和ＤＡＴＡ來實現(xiàn)。當(dāng)正確設(shè)置射頻包輸入載荷的地址和大小后，置ＣＥ為高電平可激活ＲＸ。此后便可在ｎＲＦ２４０１監(jiān)測信息輸入２００μｓ，若收到有效數(shù)據(jù)包，則給ＭＣＵ一個中斷并置ＤＲ１為高電平，以使ＭＣＵ 以時鐘形式輸出有效載荷數(shù)據(jù)，待系統(tǒng)收到全部數(shù)據(jù)后?ｎＲＦ２４０１再置ＤＲ１為低?此時如果ＣＥ保持高電平，則等待新的數(shù)據(jù)包。若ＣＥ置低電平，則開始接收新的序列。

３．２ ＤｕｏＣｅｉｖｅｒＴＭ的雙信道接收模式

ｎＲＦ２４０１的 ＤｕｏＣｅｉｖｅｒＴＭ技術(shù)為ＲＸ提供了兩個獨立的專用數(shù)字信道，因而可代替兩個單獨接收系統(tǒng)。圖３所示是ＤｕｏＣｅｉｖｅｒＴＭ同時雙接收信道結(jié)構(gòu)圖。ｎＲＦ２４０１ 可以通過一個天線接口從相隔８ＭＨｚ的兩個１Ｍｂｐｓ接收機上接收數(shù)據(jù)。同時將兩個數(shù)字信道的輸出反饋到兩個單獨的ＭＣＵ接口。具體的兩個信道如下:

數(shù)字信道１：ＣＬＫ１，ＤＡＴＡ，ＤＲ１；

數(shù)字信道２：ＣＬＫ２，ＤＯＵＴ２，ＤＲ２；

應(yīng)當(dāng)說明的是,數(shù)字信道２的頻率只有在比數(shù)字信道１的頻率高出８ＭＨｚ時，才能保證正常接收。

圖4

４　典型應(yīng)用

ｎＲＦ２４０１的電源電壓范圍為１.９～３.６Ｖ，可工作在－４０～＋８５℃的溫度范圍內(nèi)。靈敏度為－９０ｄｂｍ。圖４是ｎＲＦ２４０１的一個典型應(yīng)用電路。該電路由５０Ｖ陶瓷電容器（Ｃ１～Ｃ９）、ｎＲＦ２４０１無線電收發(fā)器（Ｕ１）以及一個晶振組成，由圖可見，該電路外圍元件很少。