基于RF芯片nRF401的無線數(shù)傳模塊設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的無線數(shù)傳模塊由單片射頻收發(fā)芯片NRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片構(gòu)成，工作在433.92／434.33MHz頻段；可方便地嵌入在各種測(cè)量和控制系統(tǒng)中進(jìn)行無線數(shù)據(jù)傳輸，在車輛監(jiān)控、無線抄表、無線232數(shù)據(jù)通信、計(jì)算機(jī)遙控遙測(cè)系統(tǒng)中應(yīng)用。

　　nRF401是北歐集成電路公司（NORDIC）的產(chǎn)品，是一個(gè)為433MHz ISM頻段設(shè)計(jì)的真正單片UHF無線收發(fā)芯片，滿足歐洲電信工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（ETSI）EN300 200-1 V1.2.1。它采用FSK調(diào)制解調(diào)技術(shù)，最高工作速率可以達(dá)到20K，發(fā)射功率可以調(diào)整，最大發(fā)射功率是+10dBm。nRF401的天線接口設(shè)計(jì)為差分天線，以便于使用低成本的PCB天線。它要求非常少的外圍元件（約10個(gè)），無需聲表濾波器、變?nèi)莨艿劝嘿F的元件，只需要便宜且易于獲得的4MHz晶體，收發(fā)天線合一。無需進(jìn)行初始化和配置，不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，有兩個(gè)工作頻寬（433.92/434.33MHz）,工作電壓范圍可以從2.7-5V，還具有待機(jī)模式，可以更省電和高效。

　　nRF401無線收發(fā)芯片的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾部分。發(fā)射電路包含有：射頻功率放大器、鎖相環(huán)（PLL），壓控振蕩器（VCO），頻率合成器等電路。基準(zhǔn)振蕩器采用外接晶體振蕩器，產(chǎn)生電路所需的基準(zhǔn)頻率。

    其主要特性如下:
 
　　工作頻率為國(guó)際通用的數(shù)傳頻段
　　FSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場(chǎng)合；
　　采用PLL頻率合成技術(shù)，頻率穩(wěn)定性極好；
　　靈敏度高，達(dá)到-105dBm（nRF401）；
　　功耗小，接收狀態(tài)250 A，待機(jī)狀態(tài)僅為8 A（nRF401）；
　　最大發(fā)射功率達(dá) +10dBm ；
　　低工作電壓（2.7V），可滿足低功耗設(shè)備的要求；
　　具有多個(gè)頻道，可方便地切換工作頻率 ；
　　工作速率最高可達(dá)20Kbit/s（RF401）；
　　僅外接一個(gè)晶體和幾個(gè)阻容、電感元件，基本無需調(diào)試；
　　因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設(shè)計(jì)，使用無需申請(qǐng)?jiān)S可證，開闊地的使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1000米 (與具體使用環(huán)境及元件參數(shù)有關(guān))。

引腳排列和功能

　　nRF401無線收發(fā)芯片具有20個(gè)引腳。

　　重要時(shí)序參數(shù)

　　TX與RX之間的切換

　　當(dāng)從RX切換到TX模式時(shí),數(shù)據(jù)輸入腳(DIN)必須保持為高至少1ms才能收發(fā)數(shù)據(jù)。當(dāng)從TX切換到RX時(shí)，數(shù)據(jù)輸出腳（DOUT）要至少3ms以后有數(shù)據(jù)輸出。

    Standby與RX之間的切換

　　從待機(jī)模式到接收模式，當(dāng)PWR_UP輸入設(shè)成1時(shí)，經(jīng)過tSR時(shí)間后,DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效。對(duì) nRF401來說，tST最長(zhǎng)的時(shí)間是3ms。

    從待機(jī)模式到發(fā)射模式，所需穩(wěn)定的最大時(shí)間是tST。

    Power Up與TX間的切換

　　從加電到發(fā)射模式過程中，為了避免開機(jī)時(shí)產(chǎn)生干擾和輻射，在上電過程中TXEN的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合成器進(jìn)入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當(dāng)由上電進(jìn)入發(fā)射模式時(shí)，TXEN必須保持1ms以后才可以往DIN發(fā)送數(shù)據(jù)。

    從上電到接收模式過程中，芯片將不會(huì)接收數(shù)據(jù)，DOUT也不會(huì)有數(shù)據(jù)輸出，直到電壓穩(wěn)定達(dá)到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振蕩器，這個(gè)時(shí)間可以縮短到3ms。

應(yīng)用電路及設(shè)計(jì)應(yīng)注意問題

    在實(shí)際應(yīng)用中，微控制器采用Atmel公司的AT89C52，分別用單片機(jī)的P1口各管腳控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個(gè)腳即可。

    接口芯片采用美信公司的RS232轉(zhuǎn)換芯片MAX3316，完成單片機(jī)和計(jì)算機(jī)RS232接口的電平轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、請(qǐng)求、清除功能。關(guān)于此芯片的使用可參見其手冊(cè)。

    在nRF401芯片使用時(shí)，設(shè)定好工作頻率，進(jìn)入正常工作狀態(tài)后，通過單片機(jī)根據(jù)需要進(jìn)行收發(fā)轉(zhuǎn)換控制，發(fā)送／接收數(shù)據(jù)或進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。在實(shí)際的設(shè)計(jì)應(yīng)用中，需要注意以下幾個(gè)問題：

    1）天線的接入

    ANT1和ANT2是接收時(shí)LNA的輸入，以及發(fā)送時(shí)功率放大器的輸出。連接nRF401的天線是以差分方式連接到nRF401的。在天線端推薦的負(fù)載阻抗是400歐姆，射頻功率放大器輸出是兩個(gè)開路輸出三極管，配制成差分配對(duì)方式，功率放大器的VDD必須通過集電極負(fù)載，當(dāng)采用差分環(huán)形天線時(shí)，VDD必須通過環(huán)形天線的中心輸入。

    2）與單片機(jī)共用一個(gè)晶振

    nRF401可以與單片機(jī)共用一個(gè)晶振，需要注意從單片機(jī)引入的晶體走線不能離數(shù)據(jù)線或者控制線太近。

    PCB布局和去耦設(shè)計(jì) 印刷電路板（PCB）的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到射頻性能，為了獲得較好的RF性能，PCB設(shè)計(jì)至少需要兩層板來實(shí)現(xiàn)，PCB分成射頻電路和控制電路兩部分布置。nRF401采用PCB天線，在天線的下面沒有接地面。射頻部分的電源與數(shù)字電路部分的電源分離。

    為了減少分布參數(shù)的影響，在PCB應(yīng)該避免長(zhǎng)的電源走線，所有元件地線，VDD連接線，VDD去耦電容必須離nRF401盡可能的近。nRF401的電源必須經(jīng)過很好的濾波,并且與數(shù)字電路供電分離，在離電源腳VDD盡可能近的地方用高性能的電容去耦，最好是一個(gè)小電容和一個(gè)大電容相并聯(lián)。pcb板頂層和底層最好敷銅接地，把這兩層的敷銅用較多的過孔緊密相連,再將VSS腳連接到敷銅面。所有開關(guān)信號(hào)和控制信號(hào)都不能經(jīng)過PLL環(huán)路濾波器元件和VCO電感附近。

    對(duì)nRF401的PCB布局來說，VCO電感的位置是非常重要的。nRF401VCO電感位置的最佳設(shè)計(jì)是保證產(chǎn)生1.1 0.2V的PLL環(huán)路濾波器電壓，這個(gè)電壓可以從FILT1（pin4）測(cè)得。

通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

    nRF401在很多時(shí)候用在便攜及移動(dòng)式設(shè)備，在這種應(yīng)用中需要盡可能長(zhǎng)時(shí)間的工作，考慮到電池的能耗，往往需要考慮節(jié)能和低功耗設(shè)計(jì)的問題。為了節(jié)能，nRF401平時(shí)大多數(shù)情況下應(yīng)處于關(guān)閉狀態(tài)，由于無線部分硬件上是不具備自動(dòng)喚醒功能的，為了達(dá)到節(jié)能的目的，必須通過軟件方式采用合理的通信協(xié)議以保證節(jié)能同時(shí)不丟失數(shù)據(jù)。

    1）首先每次發(fā)送應(yīng)該有一個(gè)前置碼，通常可采用101010101010……，持續(xù)一個(gè)給定的周期（比如1秒），這個(gè)前置碼是節(jié)能的基礎(chǔ)。

    2）接收端平時(shí)可以開啟接收幾個(gè)毫秒，如果沒有收到規(guī)定的前置101010101010……，然后關(guān)閉約1秒，通過檢測(cè)前置碼而獲得同步。開關(guān)的時(shí)間比也就是工作的占空比，增加前置碼的周期可以減少工作的時(shí)間，從而減少平均工作電流；需要注意的是增加前置碼的長(zhǎng)度雖然可以降低功耗，但是會(huì)降低系統(tǒng)的響應(yīng)速度，需要根據(jù)系統(tǒng)的要求進(jìn)行確定。

軟件設(shè)計(jì)

    在設(shè)計(jì)程序時(shí)，要注意各狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)延。nRF401的通訊速率最高為20kbit/s，發(fā)送數(shù)據(jù)之前需將電路置于發(fā)射模式；接收模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為1ms；可以發(fā)送任意長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)；發(fā)射模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為3ms。在待機(jī)模式時(shí)，電路進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，電路不接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。待機(jī)模式轉(zhuǎn)換為發(fā)射模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為4ms；待機(jī)模式轉(zhuǎn)換為接收模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間至少為5.0ms。