系統(tǒng)級RF收發(fā)芯片nRF24E1及其在無線鍵盤中的應用

　　微處理器中有256B的數(shù)據(jù)RAM和512B的ROM。上電復位或軟件復位后，處理器自動執(zhí)行ROM中引導區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導區(qū)的引導下，從E²PROM加載到1個4KB的RAM中(該RAM也可作存儲數(shù)據(jù)用)。如果應用中不用掩膜ROM（即內(nèi)含的ROM），程序代碼必須從外部非易失性存儲器中加載。比較常見的是通過SPI接口擴展E²PROM，型號推薦為25320。
　　與標準8051相比，因nRF24E1的微控制器增加了一些新的功能，因此也相應地增加了一些特殊功能寄存器來對這些新增的功能進行控制。新增的特殊功能寄存器有RADIO(P2)、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY等。nRF24E1的微控制器中，P0和P1口的寄存器也和標準8051的有所不同，其他特殊功能寄存器與標準8051的相同。
1.2 PWM和SPI接口
　　nRF24E1有一個可編程控制的PWM輸出，使用時，通過程序可改變DIO9(即P0.7)的功能，并可編程決定PWM工作于6位、7位或8位。
　　SPI的3個口與GPIO(DIN0、DIO0、DIO1)和RF收發(fā)器重用。SPI硬件不產(chǎn)生任何片選信號，通常，用GPIO的位(P0口)作為外部SPI設備的片選口。
1.3 RTC喚醒定時器、WTD和RC振蕩器
　　nRF24E1內(nèi)有一個低功耗的RC振蕩器，當V_DD≥1.8V時，可連續(xù)工作，和應用程序無關(guān)。RTC喚醒定時器和WTD(看門狗)為2個16位可編程定時器，它們的工作時鐘為RC振蕩器的LP_OSC。喚醒定時器和看門狗的定時時間約為300μs～80ms，默認值為10ms。
1.4 A/D轉(zhuǎn)換器
　　nRF24E1內(nèi)有9通道10位ADC，線性轉(zhuǎn)換時間為每10位48個CPU指令周期。A/D轉(zhuǎn)換器的9個輸入可通過軟件進行選擇，通道0～7可以把對應引腳AIN0～AIN7上的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，通道8用于對nRF24E1工作電壓的監(jiān)控。A/D轉(zhuǎn)換器默認工作于10位方式，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。
1.5 無線收發(fā)器
　　nRF24E1收發(fā)器通過內(nèi)部并行口或內(nèi)部SPI口與其他模塊進行通信，其功能與單片射頻收發(fā)器nRF2401相同。DuoCeiver接收器輸出的數(shù)據(jù)準備信號，可通過程序使其成為微處理器的中斷信號或通過GPIO口傳給CPU。nRF2401工作于全球開放的2.4G～2.5GHz頻段。收發(fā)器由1個完整的頻率合成器、1個功率放大器、1個調(diào)節(jié)器和2個接收器組成。輸出功率、頻道和其他射頻參數(shù)可通過對特殊功能寄存器RADIO（0xA0）編程進行控制。發(fā)射模式下，射頻電流消耗僅為10.5mA，接收模式下為18mA(可通過程序控制收發(fā)器的開/關(guān)來節(jié)能）。
2 無線鍵盤的基本知識
　　無線鍵盤使用無線的方式在鍵盤與PC間進行通信，其中的無線模塊一般用射頻技術(shù)或藍牙技術(shù)來實現(xiàn)。由于藍牙技術(shù)協(xié)議復雜、成本高和開發(fā)周期長，所以，目前的許多無線鍵盤都是用射頻技術(shù)來實現(xiàn)無線連接。在射頻領域，挪威Nordic VLSI公司的射頻芯片的性能非常出眾，其產(chǎn)品主要有nRF401系列、nRF903系列、nRF2401系列和nRF24E1系列。本文介紹的即是采用nRF24E1來實現(xiàn)無線鍵盤的設計方法。
　　無線鍵盤大部分都由電池供電，所以需要用到許多節(jié)能技術(shù)?；诠?jié)能的目的，許多無線鍵盤沒有使用有線鍵盤上的“Num Lock”、“Caps Lock”、“Scroll Lock”這3個LED指示燈。另外，無線鍵盤應該合理有效地使用RF模塊，從鍵盤到PC的RF數(shù)據(jù)包可能包含多達8個的擊鍵信息。鍵盤掃描矩陣約每秒鐘掃描500次，一般每個掃描周期內(nèi)，所檢測到的擊鍵不多于1個。因為人感覺不到150ms的檢測延時，所以，當鍵盤檢測到1個擊鍵和發(fā)送RF數(shù)據(jù)包到PC后，可以空閑150ms以上的時間，直到有下一個按鍵被按下，這樣可以盡量減少RF模塊的工作時間[2]。
　　對于只需要發(fā)送數(shù)據(jù)的鍵盤，使用nRF24E2即能滿足一般鍵盤的需要。如果要求鍵盤不僅能夠發(fā)送信息而且還要接收PC機反饋信息，則需要使用nRF24E1來做鍵盤中的無線模塊。雙向收發(fā)更利于實現(xiàn)密碼編制、數(shù)據(jù)包重發(fā)和當系統(tǒng)關(guān)閉時鍵盤處于節(jié)能狀態(tài)。
3 nRF24E1在無線鍵盤中的應用
3.1 鍵盤掃描矩陣
　　nRF24E1與無線鍵盤的接口方式如圖2所示。普通PC鍵盤的按鍵是104個，而圖2所示的鍵盤矩陣為8行20列，最多可定義160個按鍵開關(guān)。設計過程中，其中的某些按鍵可以不進行定義。每個按鍵布置在行列交接處，當按鍵被按下時，與該按鍵相接的行和列即被短接。為了進行鍵盤矩陣掃描，nRF24E1按時序把列掃描信號送到移位寄存器。列掃描信號由1個“0”和19個“1”組成，“0”在移位寄存器中逐位往后移，每移動1次，鍵盤行的狀態(tài)就被掃描1次。如果此列的某按鍵被按，則與該按鍵相對應的行值為“0”，其他的為“1”。

　　在鍵盤掃描的過程中，按鍵可能會出現(xiàn)抖動，因此編寫軟件時應該考慮到去抖動問題。常用的去抖動方法：一旦系統(tǒng)檢測到某按鍵被按下，則延時30～50ms后再去檢測該按鍵。如果此時檢測到的該按鍵狀態(tài)還是被按下狀態(tài)，就把該按鍵當作被按下一次處理。
3.2 系統(tǒng)軟件
　　nRF24E1有4KB的片內(nèi)RAM，這對于鍵盤軟件已經(jīng)夠用。系統(tǒng)上電后，E²PROM中的程序自動下載到該4KB的RAM中，MCU即可直接對RAM中的代碼進行讀寫。
　　鍵盤軟件的功能：
　　(1)提供移位寄存器所需要的列掃描信息。
　　(2)讀出行掃描值。
　　(3)檢測按鍵被按下和去抖動。
　　(4)發(fā)送掃描到的被按下按鍵的信息到PC。
　　(5)節(jié)能狀態(tài)循環(huán)。
　　無線鍵盤應該使用節(jié)能技術(shù)以延長電池的壽命。nRF24E1片內(nèi)nRF2401的ShockBurstTM技術(shù)是為用戶節(jié)能設計的，所以設計人員在編寫軟件時可以不考慮節(jié)能問題。但是，設計人員應該考慮在系統(tǒng)空閑時怎樣進一步減小電流。
　　nRF2401的晶振為16MHz時，其片內(nèi)的8051內(nèi)核工作電流為3mA。由于鍵盤是周期性工作的，相對工作時間來說，鍵盤的空閑時間很長。所以，當鍵盤不工作時，有必要把片內(nèi)8051設為空閑狀態(tài)，且片內(nèi)8051空閑狀態(tài)的工作電流只有2μA，用此來減小電池消耗。系統(tǒng)在空閑狀態(tài)和工作狀態(tài)時的任務分述如下。
　　空閑狀態(tài)：
　?。?）完成所有的鍵盤掃描(約需要0.5ms)。
　?。?）如果有按鍵被按下，則進入工作狀態(tài)。
　?。?）把8051設為空閑狀態(tài)，同時RTC的喚醒時間設為20ms。
　?。?）空閑狀態(tài)循環(huán)。
　　工作狀態(tài)：
　?。?）每秒鐘掃描鍵盤500次。
　?。?）發(fā)送所有的按鍵信息給PC。
　?。?）如果10秒鐘內(nèi)沒有按鍵被按下，則進入空閑狀態(tài)。
　?。?）工作狀態(tài)循環(huán)。
　　一般來說，按照上述方法考慮電池節(jié)能的問題，可以使電池的壽命提高約40倍。所以，在系統(tǒng)軟件設計時，進行電池節(jié)能的考慮至關(guān)重要。
4  結(jié)  論
　　實踐證明，nRF24E1非常適合用來實現(xiàn)無線鍵盤與PC機之間的通信，其優(yōu)點：
　　（1）nRF24E1內(nèi)嵌8051，更易于減小體積。
　?。?）采用了ShockBurstTM技術(shù)，使編程更方便。
　?。?）更易于實現(xiàn)安全的鍵盤信息發(fā)送。
　　（4）2.4GHz的收發(fā)頻段為全球開放頻段。
　?。?）電池監(jiān)管更方便，并且功耗低。
　?。?）nRF24E1具有的GPIO使得擴展其他功能，如LED指示等更加容易。