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。
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
引 脚 p0.7(dio9) p0.6 p0.5 p0.4
复用功能 pwm t1 t0 int1
引 脚 p0.3 p0.2 p0.1 p0.0(dio2)
复用功能 int0 txd rxd gpio
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：
peramble addr payload crc
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
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● 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；
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２ 引脚功能
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引 脚 p0.7(dio9) p0.6 p0.5 p0.4
复用功能 pwm t1 t0 int1
引 脚 p0.3 p0.2 p0.1 p0.0(dio2)
复用功能 int0 txd rxd gpio
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。
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