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单片2.4GHz无线收发一体芯片nRF2401及其应用

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

  摘要:nRF2401是挪威Nordic公司推出的单片2.4GHz无线收发一体芯片。它将射频、8051MCU、9通道12位ADC、外围元件、电感和滤波器全部集成到单芯片中,并采用2.4GHz频带和0.18μm工艺,可提供ShockBurst、DuoCeiver、片上CRC以及地址计算编码等功能。文章详细介绍了nRF2401的结构特点、引脚功能和工作原理,给出了它的典型应用电路。
  关键词:无线收发器;ShockBurst;DuoCeiver;nRF2401
  
  1概述
  
  nRF2401无线收发一体芯片和蓝牙一样,都工作在2.4GHz自由频段,能够在全球无线市场畅通无阻。nRF2401支持多点间通信,最高传输速率超过1Mbit/S,而且比蓝牙具有更高的传输速度。它采用SoC方法设计,只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是,nRF2401没有复杂的通信协议,它完全对用户透明,同种产品之间可以自由通信。更重要的是,nRF2401比蓝牙产品更便宜。所以nRF2401是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。
  
  2主要特点和引脚功能
  
  nRF2401的引脚排列如图1(顶视图)所示。它采用5mm×5mm的24引脚QFN封装。nRF2401的主要特点如下:
  
  ●采用全球开放的2.4GHz频段,有125个频道,可满足多频及跳频需要;
  
  ●速率(1Mbps)高于蓝牙,且具有高数据吞吐量;
  
  ●外围元件极少,只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路;
  
  ●发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置;
  
  ●电源电压范围为1.9~3.6V,功耗很低;
  
  ●电流消耗很小,-5dBm输出功率时的典型峰值电流为10.5mA;
  
  ●芯片内部设置有专门的稳压电路,因此,使用任何电源(包括DC/DC开关电源)均有很好的通信效果;
  
  ●每个芯片均可以通过软件设置最多40bit地址,而且只有收到本机地址时才会输出数据(提供一个中断指示),同时编程也很方便;
  
  ●内置CRC纠检错硬件电路和协议;
  
  ●采用DuoCeiver技术可同时接收两个nRF2401的数据;
  
  ●采用ShockBurstTM模式时,能适用极低的功率操作和不严格的MCU执行;
  
  ●带有集成增强型8051内核、9路10bitADC、UART异步串口、SPI串口和PWM输出;
  
  ●内置看门狗;
  
  ●无需外部SAW滤波器;
  
  ●可100%RF检验;
  
  ●带有数据时隙和数据时钟恢复功能。
  
  3工作原理
  
  nRF2401的内部结构原理及外部组成框图如图2所示,下面介绍其工作原理。
  
  3.1ShockBurstTM模式
  
  nRF2401的ShockBurstTMRX/TX模式采用片上先进先出(FIFO)来进行低数据率的时钟同步和高数据率的传输,因此极大的降低了功耗。
  
  ShockBurstTM发射主要通过MCU接口引脚CE、CLK1和DATA来完成。当MCU请求发送数据时,置CE为高电平,此时的接收机地址和有效载荷数据作为nRF2401的内部时钟,可用请求协议或MCU将速率调至1Mbps;置CE为低电平可激活ShockBurstTM发射。
  
  ShockBurstTM接收主要使用MCU接口引脚CE、DR1、CLK1和DATA
  
  
  
  来实现。当正确设置射频包输入载荷的地址和大小后,置CE为高电平可激活RX。此后便可在nRF2401监测信息输入200μs,若收到有效数据包,则给MCU一个中断并置DR1为高电平,以使MCU以时钟形式输出有效载荷数据,待系统收到全部数据后nRF2401再置DR1为低此时如果CE保持高电平,则等待新的数据包。若CE置低电平,则开始接收新的序列。
  
  3.2DuoCeiverTM的双信道接收模式
  
  nRF2401的DuoCeiverTM技术为RX提供了两个独立的专用数字信道,因而可代替两个单独接收系统。图3所示是DuoCeiverTM同时双接收信道结构图。nRF2401可以通过一个天线接口从相隔8MHz的两个1Mbps接收机上接收数据。同时将两个数字信道的输出反馈到两个单独的MCU接口。具体的两个信道如下:
  
  数字信道1:CLK1,DATA,DR1;
  
  数字信道2:CLK2,DOUT2,DR2;
  
  应当说明的是,数字信道2的频率只有在比数字信道1的频率高出8MHz时,才能保证正常接收。
  
  图4
  
  4典型应用
  
  nRF2401的电源电压范围为1.9~3.6V,可工作在-40~+85℃的温度范围内。灵敏度为-90dbm。图4是nRF2401的一个典型应用电路。该电路由50V陶瓷电容器(C1~C9)、nRF2401无线电收发器(U1)以及一个晶振组成,由图可见,该电路外围元件很少。
  
  
  

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