系統(tǒng)芯片nRF24E1及其在無繩電話中的應(yīng)用

    摘要：首先，簡要介紹系統(tǒng)級(jí)RF收發(fā)芯片nRF24E1的各個(gè)功能模塊及其特性。然后，分析無繩電話的工作原理，介紹怎樣用nRF24E1在無繩電話中實(shí)現(xiàn)話音信號(hào)的無線接收和發(fā)送。最后，給出實(shí)際應(yīng)用中的一些體會(huì)。

    關(guān)鍵詞：nRF24E1 射頻 無線通信 無繩電話 8051

引言

nRF24E1收發(fā)器和nRF24E2發(fā)射器是Nordic VLSI推出的兩種系統(tǒng)級(jí)芯片，采用先進(jìn)的0。18μs CMOS工藝、6mm×6mm的36引腳QFN封裝；以nRF2401/02芯片結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將射頻、8051MCU、9輸入12位ADC、125通道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中；內(nèi)部有電壓高速器（工作電壓1.9～3.6V）和VDD電壓監(jiān)視，通常開關(guān)時(shí)間小于200μs，數(shù)據(jù)速率1Mbps，輸出功率0dBm；不需要外接SAW濾波器，是目前世界首次推出的、全球2.4GHz通用的、完事的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片。nRF24E1/nRF24E2適用于無線鼠標(biāo)和鍵盤、無線手持終端、無線頻率識(shí)別、數(shù)字視頻、遙控和汽車電子及其它短距離無線高速應(yīng)用。

1 nRF24E1功能介紹

nRF24E1結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

（1）微處理器

nRF24E1微處理器的指令系統(tǒng)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051的指令系統(tǒng)相兼容，但兩者的指令執(zhí)行時(shí)間有些不同。通常，nRF24Ex的每條指令執(zhí)行時(shí)間為4～20個(gè)時(shí)鐘周期，而工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051的每條指令執(zhí)行時(shí)間為12～48個(gè)時(shí)鐘周期。nRF24E1比工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051增加了ADC、SPI、RF接收器1、RF接收器2、喚醒定時(shí)器5個(gè)中斷源，以及3個(gè)與8051一樣的定時(shí)器。NRF24E1內(nèi)含1個(gè)與8051相同的UART，在傳統(tǒng)的異步通信方式下，可用定時(shí)器1和定時(shí)器2作為UART的波特率發(fā)生器。為了便于和外部RAM區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，nRF24E1的CPU還集成2個(gè)數(shù)據(jù)指針。nRF24E1微控制器的時(shí)鐘直接來源泉于晶振。

    微處理器中有256字節(jié)的數(shù)據(jù)RAM和512字節(jié)的ROM。上電復(fù)位或軟件復(fù)位后，處理器自動(dòng)執(zhí)行ROM中引導(dǎo)區(qū)的代碼。用戶程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，從EEPROM加載到1個(gè)4KB的RAM中，這個(gè)4KB的RAM也可作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用。如果應(yīng)用當(dāng)中不用掩膜ROM（也即內(nèi)含的ROM），程序代碼必須從外部非易失性存儲(chǔ)器中加載。比較常見的是通過SPI接口擴(kuò)展型號(hào)為25320的EEPROM。

為了控制一些標(biāo)準(zhǔn)8051沒有的功能，nRF24E1增加了一些特殊功能寄存器，如RADIO（P2）、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY等。其P0和P1也和標(biāo)準(zhǔn)8051有所不同，其它的特殊功能豁口與標(biāo)準(zhǔn)8051相同。

（3） PWM和SPI接口

nRF24E1具有一個(gè)可編程控制的PWM輸出。使用時(shí)，通過程序改變DIO9（即P0.9）的功能，并可編程決定PWM工作于6位、7位或8位。

SPI（串行外設(shè)接口）的3個(gè)口與GPIO（DIN0、DION0和DION1）和RF收發(fā)器重用。SPI硬件不產(chǎn)生任何片選信號(hào)，通常用GPIO的位（P0口）作為外部SPI設(shè)備的片選口。

（3）RTC喚醒定時(shí)器、WTD和RC振蕩器

nRF24E1內(nèi)有一個(gè)低功耗的RC振蕩器。該振蕩器不能禁止，當(dāng)VDD≥1.8V時(shí)，其連續(xù)工作。RTC喚醒定時(shí)器和WTD（看門狗）為2個(gè)16可編程定時(shí)器，它們的工作時(shí)鐘為RC振蕩器的LP——OSC。喚醒定時(shí)器和看門狗的定時(shí)時(shí)間約為300μs～80ms，默認(rèn)值為10ms。

（4） A/D轉(zhuǎn)換器

nRF24E1內(nèi)有9通道10位ADC，線性轉(zhuǎn)換時(shí)間為每10位48個(gè)CPU指令周期。A/D轉(zhuǎn)換器的9個(gè)輸入可通過軟件進(jìn)行選擇。通道0～7可以把對應(yīng)引腳AIN0～AIN7上的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，通常8用于對nRF24E1工作電壓的監(jiān)控。A/D轉(zhuǎn)換器默認(rèn)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。

（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口與其它模塊進(jìn)行通信，具有同單片射頻收發(fā)器nRF2401相同的功能。DuoCeiver接收器輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)，可通過程序使其為微處理器的中斷或通過GPIO口傳給CPU。NRF240x工作于全球開放的2.4～2.5GHz頻段。收發(fā)器由1個(gè)完整的頻率合成器、1個(gè)功率放大器、1個(gè)調(diào)節(jié)器和2個(gè)接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數(shù)可通過對特殊功能豁口RADIO（0xA0）編程進(jìn)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。為了節(jié)能，可通過程序控制收發(fā)器的開/關(guān)。

2 無繩電話

無繩電話系統(tǒng)基于兩個(gè)模擬音頻通道進(jìn)行工作，因此，無繩電話的無線收發(fā)系統(tǒng)必須能夠高保真地仿真這兩個(gè)模擬音頻通道。

話音的音頻一般介于300～3400kHz，和固定電話的工作頻率相近。把話音進(jìn)行數(shù)據(jù)化時(shí)，至少需要用8位的處理器來進(jìn)行處理。一般，話音的采樣頻率為6.8kHz。在實(shí)際使用中，常把采樣頻率設(shè)為8kHz，因此，每個(gè)音頻通道的工作速率最低求為64kb/s。采樣頻率的提高，有利于改善音質(zhì)和降低預(yù)處理的要求，但同時(shí)，對數(shù)據(jù)處理速率的要求也相應(yīng)的更高。

根據(jù)射頻通信的協(xié)議，在發(fā)送端把音頻信息分割、按地址進(jìn)行打包，在接收端對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查、整合，這樣可以防止偷聽、提高穩(wěn)定性和安全性。要從數(shù)字信號(hào)重新產(chǎn)生音頻信號(hào)，最簡單的方法是對數(shù)字信號(hào)過濾后，用脈寬調(diào)制的方法進(jìn)行處理。重新產(chǎn)生8位的音頻信號(hào)需要8位的脈寬調(diào)制器。脈寬調(diào)制器的載波頻率越高，對接收后過濾處理的要求越低。

3 nRF24E1在無繩電話中的應(yīng)用

（1） 基本原理

nRF24E1滿足無繩電話所需要的性能要求：

①內(nèi)嵌10位A/D轉(zhuǎn)換器，可用于音頻采樣和電池監(jiān)控；

②2.4GHz射頻收發(fā)器，獨(dú)特的ShockBurst通信方式；

③為D/A提供8位PWM輸出。

音頻的發(fā)前過濾、發(fā)后過濾和放大必須在片外進(jìn)行。用nRF24E1進(jìn)行無繩電話的數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕驹砣鐖D2所示。

（2） A/D轉(zhuǎn)換

nRF24E1片內(nèi)ADC的采樣信號(hào)，在不夠一個(gè)RF數(shù)據(jù)包之前，存儲(chǔ)在微控制器8051中。采樣數(shù)據(jù)滿包后，8051一邊存儲(chǔ)下一個(gè)新的數(shù)據(jù)包，一邊把已滿的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換到RF前端去。在ShockBurst通信方式下，每包為24個(gè)字節(jié)或3ms的音頻采樣信號(hào)。在沒有音頻信號(hào)輸入的時(shí)候，可以減少輸出或只輸出很短的狀態(tài)信息。這樣，既減少數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，同時(shí)也減少系統(tǒng)功耗。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，這種節(jié)能方法必須在發(fā)送端實(shí)現(xiàn)。

（3） 射頻通信

射頻連接必須能夠保證雙向都為64kb/s數(shù)據(jù)速率，并且要求這個(gè)連接是全雙工的，即兩個(gè)收發(fā)器能同時(shí)工作。由于ShockBurst特性，所有與協(xié)議相關(guān)的操作都由硬件來處理。雖然

nRF24E1使用的是低速的8051微控制器，但無線傳輸速度可達(dá)到1Mb/s。在初始化配置后，nRF24E1就可對射頻收發(fā)器進(jìn)行控制。

時(shí)隙由采樣頻率決定（8kHz=125μs）。每個(gè)時(shí)隙，A/D必須被讀取1次，PWM的值也被更新1次。主從收發(fā)器在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送之前必須先同步化（握手）。RF使用的數(shù)據(jù)包可定為248位（8位引導(dǎo)信號(hào)+16位CRC+32位地址+24字節(jié)有用數(shù)據(jù)），因此，每個(gè)數(shù)據(jù)包含有24個(gè)采樣信號(hào)。為了達(dá)到實(shí)時(shí)要求，必須3ms發(fā)送1次。

（4）D/A轉(zhuǎn)換

當(dāng)RF前端收到1個(gè)有效的數(shù)據(jù)包，微控制器收到1個(gè)RF接收中斷時(shí)，接收到的數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)部分可用RF前端的I/O豁口分離出來，然后，再把分離出的有效數(shù)據(jù)部分存儲(chǔ)起來作為PWM的輸出信號(hào)。PWM輸出通過8位PWM引擎來驅(qū)動(dòng)，不需要微控制器分擔(dān)處理任務(wù)。nRF24E1中PWM調(diào)制器的最大載波頻率為64kHz，這個(gè)頻率易于數(shù)據(jù)接收后的過濾。

4 結(jié)論

經(jīng)使用證明，nRF24E1非常適合用作無繩電話的收發(fā)模塊，它有以下優(yōu)點(diǎn)：

*nRF24E1內(nèi)嵌8051，更易于減小體積；

*不必編寫壓縮音頻信號(hào)的代碼；

*更易于實(shí)現(xiàn)高音質(zhì)、安全的通信；

*2.4GHz的收發(fā)頻段為全球開放頻段；

*電池監(jiān)管更方便，且功耗低，用120mAh的電池，可以達(dá)到13小時(shí)的通話時(shí)間或1200小時(shí)的待機(jī)時(shí)間；

*nRF24E1的GPIO使得擴(kuò)展其它功能，如音量控制、LED指示等更加容易。