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2.4GHz无线收发芯片nRF24E1的原理及应用

时间:2007-1-20栏目:电子通信论文

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。
  关键词:nRF24E1;ISM频段;蓝牙;无线通信;8051
  
  1nRF24E1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1P0口引脚的复用功能
  
  引脚P0.7(DIO9)P0.6P0.5P0.4复用功能PWMT1T0INT1引脚P0.3P0.2P0.1P0.0(DIO2)复用功能INT0TXDRXDGPIO
  此外,P0口还有两个控制寄存器P0ALT和P0DIR。其中P0ALT的控制优先级高于P0DIR。设计时可以通过设定P0ALT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P0DIR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,512BROM用于存储引导程序。上电后,它可将EEPROM中存储的程序下载到4kBRAM的程序运行空间,另外的256BRAM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:
  
  PerambleADDRPAYLOADCRC
  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

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