2.4GHz射頻收發(fā)芯片nRF2401及其應(yīng)用

1. 引言

    nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。其DuoCeiverTM技術(shù)使nRF2401可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401適用于多種無線通信的場(chǎng)合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、遙控開鎖、遙控玩具等。

2. 芯片結(jié)構(gòu)、引腳說明

2.1 芯片結(jié)構(gòu)
　　 nRF2401內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很少的外圍元件，因此使用起來非常方便。QFN24引腳封裝，外形尺寸只有5×5mm。nRF2401的功能模塊如圖1所示。

2.2 引腳說明
表1：nRF2401引腳

3. 工作模式

nRF2401有工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三個(gè)引腳決定，詳見表2。

表2：nRF2401工作模式

3.1 收發(fā)模式

nRF2401的收發(fā)模式有ShockBurstTM收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，收發(fā)模式由器件配置字決定，具體配置將在器件配置部分詳細(xì)介紹。

3.1.1 ShockBurstTM收發(fā)模式

　　ShockBurstTM收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從微控制器送入，但高速(1Mbps)發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行，這種做法有三大好處：盡量節(jié)能；低的系統(tǒng)費(fèi)用(低速微處理器也能進(jìn)行高速射頻發(fā)射)；數(shù)據(jù)在空中停留時(shí)間短，抗干擾性高。nRF2401的ShockBurstTM技術(shù)同時(shí)也減小了整個(gè)系統(tǒng)的平均工作電流。

 在ShockBurstTM收發(fā)模式下，nRF2401自動(dòng)處理字頭和CRC校驗(yàn)碼。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)把字頭和CRC校驗(yàn)碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)加上字頭和CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。

3.1.1.1 ShockBurstTM發(fā)射流程
 接口引腳為CE，CLK1，DATA
A. 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，其把CE置高，使nRF2401工作；
B. 把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時(shí)序送入nRF2401；
C. 微控制器把CE置低，激發(fā)nRF2401進(jìn)行ShockBurstTM發(fā)射；
D. nRF2401的ShockBurstTM發(fā)射
² 給射頻前端供電；
² 射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、CRC校驗(yàn)碼)；
² 高速發(fā)射數(shù)據(jù)包；
² 發(fā)射完成，nRF2401進(jìn)入空閑狀態(tài)。
3.1.1.2 ShockBurstTM接收流程
　　接口引腳CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1)
A. 配置本機(jī)地址和要接收的數(shù)據(jù)包大小；
B. 進(jìn)入接收狀態(tài)，把CE置高；
C. 200us后，nRF2401進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來；
D. 當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包(正確的地址和CRC校驗(yàn)碼)，nRF2401自動(dòng)把字頭、地址和CRC校驗(yàn)位移去；
E. nRF2401通過把DR1(這個(gè)引腳一般引起微控制器中斷)置高通知微控制器；
F. 微控制器把數(shù)據(jù)從nRF2401移出；
G. 所有數(shù)據(jù)移完，nRF2401把DR1置低，此時(shí)，如果CE為高，則等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包，如果CE為低，開始其它工作流程。

3.1.2直接收發(fā)模式
在直接收發(fā)模式下，nRF2401如傳統(tǒng)的射頻收發(fā)器一樣工作。

3.1.2.1直接發(fā)送模式
　　接口引腳為CE、DATA
A. 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，把CE置高；
B. nRF2401射頻前端被激活；
C. 所有的射頻協(xié)議必須在微控制器程序中進(jìn)行處理(包括字頭、地址和CRC校驗(yàn)碼)。
3.1.2.2直接接收模式
　　接口引腳為CE、CLK1和DATA
A. 一旦nRF2401被配置為直接接收模式，DATA引腳將根據(jù)天線接收到的信號(hào)開始高低變化(由于噪聲的存在)；
B. CLK1引腳也開始工作；
C. 一旦接收到有效的字頭，CLK1引腳和DATA引腳將協(xié)調(diào)工作，把射頻數(shù)據(jù)包以其被發(fā)射時(shí)的數(shù)據(jù)從DATA引腳送給微控制器；
D. 這頭必須是8位；
E. DR引腳沒用上，所有的地址和CRC校驗(yàn)必須在微控制器內(nèi)部進(jìn)行。

3.2 配置模式

在配置模式，15字節(jié)的配置字被送到nRF2401，這通過CS、CLK1和DATA三個(gè)引腳完成，具體的配置方法請(qǐng)參考本文的器件配置部分。

3.3 空閑模式

nRF2401的空閑模式是為了減小平均工作電流而設(shè)計(jì)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)，縮短芯片的起動(dòng)時(shí)間。在空閑模式下，部分片內(nèi)晶振仍在工作，此時(shí)的工作電流跟外部晶振的頻率有關(guān)，如外部晶振為4MHz時(shí)工作電流為12uA，外部晶振為16MHz時(shí)工作電流為32uA。在空閑模式下，配置字的內(nèi)容保持在nRF2401片內(nèi)。

3.4 關(guān)機(jī)模式

在關(guān)機(jī)模式下，為了得到最小的工作電流，一般此時(shí)的工作電流小于1uA。關(guān)機(jī)模式下，配置字的內(nèi)容也會(huì)被保持在nRF2401片內(nèi)，這是該模式與斷電狀態(tài)最大的區(qū)別。

4. 器件配置

nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和DATA三個(gè)引腳完成，把其配置為ShockBurstTM收發(fā)模式需要15字節(jié)的配置字，而如把其配置為直接收發(fā)模式只需要2字節(jié)的配置字。由上文對(duì)nRF2401工作模式的介紹，我們可以知道，nRF2401一般工作于ShockBurstTM收發(fā)模式，這樣，系統(tǒng)的程序編制會(huì)更加簡單，并且穩(wěn)定性也會(huì)更高，因此，下文著重介紹把nRF2401配置為ShockBurstTM收發(fā)模式的器件配置方法。

ShockBurstTM的配置字使nRF2401能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，在nRF2401工作的過程中，只需改變其最低一個(gè)字節(jié)中的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間切換。ShockBurstTM的配置字可以分為以下四個(gè)部分：
數(shù)據(jù)寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分接收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和CRC校驗(yàn)碼；
地址寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)。這使得nRF2401能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù)；
地址：接收數(shù)據(jù)的地址，有通道1的地址和通道2的地址；
CRC：使nRF2401能夠生成CRC校驗(yàn)碼和解碼。

當(dāng)使用nRF2401片內(nèi)的CRC技術(shù)時(shí)，要確保在配置字中CRC校驗(yàn)被使能，并且發(fā)送和接收使用相同的協(xié)議。nRF2401配置字的各個(gè)位的描述如表3所示。

　表3：nRF2401配置字描述

在配置模式下，注意保證PWR_UP引腳為高電平，CE引腳為低電平。配置字從最高位開始，依次送入nRF2401。在CS引腳的下降沿，新送入的配置字開始工作。

5. 應(yīng)用電路

　圖2為nRF2401的應(yīng)用電路，由圖可知，其只需要14個(gè)外圍元件。nRF2401應(yīng)用電路一般工作于3V，它可用多種低功耗微控制器進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者可使用單鞭天線或環(huán)形天線，上圖為50歐姆單鞭天線的應(yīng)用電路。在使用不同的天線時(shí)，為了得到盡可能大的收發(fā)距離，電感電容的參數(shù)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。

6. PCB設(shè)計(jì)

PCB設(shè)計(jì)對(duì)nRF2401的整體性能影響很大，所以PCB設(shè)計(jì)在nRF2401收發(fā)系統(tǒng)的開發(fā)過程中主要的工作之一，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到各種電磁干擾，注意調(diào)整電阻、電容和電感的位置，特別要注意電容的位置。

nRF2401的PCB一般都是雙層板，底層一般不放置元件，為地層，頂層的空余地方一般都敷上銅，這些敷銅通過過孔與底層的地相連。直流電源及電源濾波電容盡量靠近VDD引腳。nRF2401的供電電源應(yīng)通過電容隔開，這樣有利于給nRF2401提供穩(wěn)定的電源。在PCB中，盡量多打一些通孔，使頂層和底層的地能夠充分接觸。

7. 結(jié)束語

nRF2401通過ShockBurstTM收發(fā)模式進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送，收發(fā)可靠，其外形尺寸小，需要的外圍元器件也少，因此，使用方便，在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等各個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。