系統(tǒng)級RF芯片nRF24E1收發(fā)原理與應用編程

    摘要：從應用的角度出發(fā)，闡述系統(tǒng)級RF收發(fā)芯片nRF24E1的RADIO口控制方法和工作過程；分析nRF24E1的收發(fā)方式；詳細介紹ShockBUrst技術、DuoCeiver技術和應用中器件的配置方法并通過代碼說明實際應用中的編程方法。

    關鍵詞：nRF24E1 射頻 無線通信 配置

引言

nRF24E1收發(fā)器是Nordic VLSI推出的系統(tǒng)級射頻芯片，采用先進的0.18μm CMOS工藝、6mm×6mm的36引腳QFN封裝，以nRF240 RF芯片結構為基礎，將射頻率、8051MCU、9輸入10位ADC、125通道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中，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)級芯片。

由于nRF24E1片內集成了RADIO模塊，在使用中，只需要一片nRF24E1和少數(shù)的外圍元件就能完成射頻收發(fā)功能，因此，大大減少了系統(tǒng)的體積。使用nRF24E1時，必須進行相應的配置工作。下面，詳細講述nRF24E1的收發(fā)原理和編程方法，以供讀者設計時參考。有關nRF24E1的介紹請見2004年第6期。

1 RADIO口

nRF24E1收發(fā)器的收發(fā)任務由RADIO口控制。RADIO口使用標準8051中的P2口地址。由于射頻收發(fā)器是片內置的，并不是雙向工作。為了滿足射頻收發(fā)子系統(tǒng)的需要，RADIO口的默認值與標準8051的P2默認值也不一樣。

收發(fā)器由特殊功能豁口中的RADIO（0A0H）和SPI_CTRL(0B3H)控制。SPI_CTRL=00B時，SPI沒用；SPI_CTRL=01B時，SPI連接到P1口；SPI_CTRL=10B時，SPI連到第一個nRF2401頻道；SPI_CTRL=11B時，SPI連接到第二個nRF2401頻道。RADIO豁口的各個位如圖1所示。在nRF24E1頭文件中，所定義的各個位的名字與圖1中一樣。

（1）用SPI口控制收發(fā)器

用芯片內嵌的SPI口控制收發(fā)器的操作非常方便。如RF配置和ShockBurst RX（接收）或TX（發(fā)送）。

（2）復位時RADIO口的狀態(tài)

復位引腳為高電平時（無論是時鐘是否有效），控制nRF2401收發(fā)子系統(tǒng)的RADIO輸出位默認為RADIO.3（CS）=0，RADIO.6（CE）=0，RADIO.7(PWR_UP)=1。程序運行后，保持默認值，直到程序通過RADIO寄存器改變各位的值。

2 收發(fā)方式

通過PWR_UP、CE和CS三個控制引腳，可以設置nRF2401的工作方式。PWR_UP=1，CE=1，CS=0為收發(fā)方式；PWR_UP=1，CE=0，CS=1為配置方式；PWR_UP=1，CE=0，CS=0為空閑方式；PWPWR_UP=0時關機。

2.1 ShockBurst

nRF24E1的nRF2401收發(fā)子系統(tǒng)的收發(fā)方式只有ShockBurst。ShockBurst的功能由配置字決定。ShockBurst技術使用了片內的FIFO（先入先出）堆棧。雖然數(shù)據(jù)低速進入，但能高速發(fā)送，使能耗減到最低限度。

（1）ShockBurst發(fā)送

CPU接口引腳為CE、CLK1、DATA，工作流程如下：

①CPU有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，把CE置高，nRF2401開始工作。

②接收節(jié)點地址和有效數(shù)據(jù)按時序被送到nRF2401子系統(tǒng)，可通過應用協(xié)議或CPU設置，使這個速度小于1Mbps(如10kbps)。

③CPU把CE置低，激活ShockBurst發(fā)送。

④ShockBurst。

*給RF前端供電；

*完成RF包處理（加前綴，CRC校驗）；

*數(shù)據(jù)高速發(fā)送（250kbps或1Mbps，可由用戶配置決定）；

*發(fā)送完成，nRF2401返回空閑信號。

（2）ShockBurst接收

CPU的接口引腳為CE、DR1、CLK1、DATA，工作流程如下：

①校驗接收到的RF包的地址和欲接收的RF包中有效數(shù)據(jù)的長度。

②把CE置高，激活RX。

③經過200μs處理，nRF2401子系統(tǒng)監(jiān)視啟動并等待信號的到來。

④當收到一個有效的數(shù)據(jù)包（正確的地址和CRC），nRF2401子系統(tǒng)移去前綴、地址和CRC位。

⑤nRF2401子系統(tǒng)通過把DR1置高來通知CPU。

⑥CPU把CE置低，把RF前端設為低功耗方式。

⑦CPU將按時序以適當?shù)乃俣龋ㄈ?0kbps）把有效數(shù)據(jù)取出。

⑧當所有的有效數(shù)據(jù)都送完，nRF2401子系統(tǒng)再次把DR1置低。如果CE保持為高，準備接收下一個數(shù)據(jù)包；CE為低，重新開始新的接收。

2.2 DuoCeiver

ShockBurst收發(fā)方式使nRF24E1能夠方便地同時接收兩個不同頻率的頻道發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且能夠使接收速度達到最大值。這意味著：

*nRF24E1通過一個天線，能夠接收兩個頻率相差8MHz（8個頻率通道）的1Mbps發(fā)射器（如nRF24E1、nRF2401或nRF2402）發(fā)送的數(shù)據(jù)。

*這兩個不同數(shù)據(jù)頻道的數(shù)據(jù)被分別送到兩套不同的接口——數(shù)據(jù)頻道1為CLK1、DATA和DR1，數(shù)據(jù)頻道2為CLK2、DOUT2和DR2。

DuoCeiver技術提供了兩個獨立、專用于接收的數(shù)據(jù)頻道，而不是采用兩個相互獨立的接收器。使用第二個數(shù)據(jù)頻道必須滿足要求：第二數(shù)據(jù)頻道的工作頻率至少比第一個頻道的工作頻率高8MHz。使用ShockBurst技術，CPU先取出其中一個數(shù)據(jù)頻道中的數(shù)據(jù)，另一數(shù)據(jù)頻道中的數(shù)據(jù)等待CPU處理完。這樣不至于丟失數(shù)據(jù)；同時，也降低了對CPU性能的要求。

3 器件配置

在配置方式下，配置字最高可達18字節(jié)。nRF2401子系統(tǒng)的配置字通過一個簡單的三線接口（CS、CLK1和DATA）送給配置寄存器。

3.1 ShockBurst的配置

ShockBurst方式配置字的作用是使nRF2401子系統(tǒng)能夠處理RF協(xié)議。在實際操作中，一旦完成協(xié)議并裝入了nRF2401子系統(tǒng)，只有1字節(jié)（bit[7:0]）的配置字需要更新。用于ShockBurst的配置字分為如下四塊（詳見表2）：

*有效數(shù)據(jù)寬度（DATA2_W和DATA1_W），指明RF包中有效數(shù)據(jù)的位數(shù)，這使nRF2401子系統(tǒng)能夠區(qū)分接收到數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)和CRC字節(jié)；

*地址寬度（ADDR2和ADDR1），設置RF數(shù)據(jù)包中地址字節(jié)所占用的位數(shù)，最高為40位，這使nRF2401字節(jié)系統(tǒng)能夠區(qū)分地址和有效數(shù)據(jù)；

*接收頻道地址（ADDR_W），即接收數(shù)據(jù)的目標地址；

*CRC配置（CRC_L和CRC_EN），CRC_L用于設置CRC為8位或16位校驗，CRC_L=0為8位，CRC_L=1為16位，CRC_EN使能片內的CRC。

在發(fā)送方式，CPU必須產生與接收數(shù)據(jù)的nRF2401子系統(tǒng)配置相同的地址和有效數(shù)據(jù)塊。當使用nRF240子系統(tǒng)片內的CRC特性時，注意CRC是否已經使能，并且注意在發(fā)送器和接收器上使用相同的長度。

3.2 配置字描述

配置字的讀取在CLK1的正邊沿時，從MSB（最高位）開始。新的配置從CS的下降沿開始。假如nRF2401子系統(tǒng)需要配置為ShockBurst方式，兩個接收頻道，則在VDD（芯片電源）上電后，只需120位的配置字。在協(xié)議、工作方式和接收頻道都配置好后，只需要1位（RXEN）來切換是接收或發(fā)射。在配置字被讀取的過程中，MSB（最高位）最先被讀到寄存器中。默認配置字為：h8E08.1C20.2000.0000.00E7.0000.E721.0F04,共18字節(jié)，可根據(jù)需要進行取舍。

ShockBurst數(shù)據(jù)包的總位數(shù)最多不能超過256位，可通過式（1）計算有效數(shù)據(jù)的最大位數(shù)。

DATAx_W(bits)=256-ADDR_W-CRC (1)

其中：ADDR_W為配置字中B[32:18]所設置的接收地址的長度，8位～40位；CRC為配置字B[17]所設置的校驗字，8位或16位。4位或8位前綴是自動加進去的，不占用數(shù)據(jù)包的位數(shù)。由式（1）可知，要想在每個數(shù)據(jù)包中得到更長的有效數(shù)據(jù)，可減少地址和CRC校驗位。

3.3 收發(fā)常用的配置

在兩個接收頻道的方式下，nRF24E1同時接收來自兩個不同頻率頻道的數(shù)據(jù)。第一個頻道的頻率在配置字B[7-1]中設置，第二個頻道通常比第一個頻道的頻率高8MHz。RX2_EN(B[15])為第二個頻道的使能位：RX2_EN=0時，第二個頻道不工作；RX2_EN=1時，第二個頻道使能。RFDR_SB為收發(fā)速率設置位：RFDR_SB(B[13])=0時，收發(fā)速率為250kbps；RFDR_SB=1時，收發(fā)速率為1Mbps。16MHz晶振時，250kbps的收發(fā)靈敏度比1Mbps的高10dB。XO_F(B[12-10])為晶振選擇位。RF_PWR(B[9-8])設置nRF24E1射頻輸出功率。

RF_CH#(B[7-1])設置nRF24E1的工作頻率，可通過式（2）計算發(fā)射頻率和頻道1的接收頻率，通過式（3）計算頻道2的接收頻率。RXEN為收發(fā)切換位。

ChannelRF=2400MHz+RF_CH#×1.0MHz (2)

ChannelRF=2400MHz+RF_CH#×1.0MHz+8MHz (3)

4 數(shù)據(jù)包描述

完整的射頻數(shù)據(jù)包由四部分組成：前綴、地址、有效數(shù)據(jù)和CRC。前綴一般是8位，也要吧設置為4位，由地址的首位決定。如果地址的首位是0，前綴為01010101；如果地址的首位是1，前綴為10101010。ShockBurst方式，前綴、地址和CRC都是在接收器收到數(shù)據(jù)包后自動移去只留有效數(shù)據(jù)。

5 應用中的程序

下面所述的程序都是在Keil C51 V7.07下調試通過的。限于篇幅，只分析其中的主要函數(shù)代碼。

（1）系統(tǒng)初始化函數(shù)

void Init(void){

//配置I/O口

P0_ALT=0x06;//P0_ALT=00000110B,P0.1為RXD，P0.2為TXD

P0_DIR=0x09;//P0_DIR=00001001B，P0.0和P0.3設為輸入

P1_DIR=0x03;//P1_DIR=00000011B,P1.0和P1.1設為輸入

…………//其它I/O口配置

PWR_UP=1;//開Radio，讀時不用，寫時為電源

SPICLK=0；//SPI時鐘為XTAL/8

SPI_CTRL=0x02;//把SPI與第一收發(fā)通道（CH1）相連

…………//串口配置、A/D配置等，或自己系統(tǒng)相關的一些配置

}

（2）接收器配置函數(shù)

void Init_Receiver(void){

unsigned char b;

CS=1;//打開配置方式

for（b=0;b<rconf.n;b++）{ //b<15

SpiReadWrite(rconf.buf[b]); //發(fā)送接收器配置字

}

CS=0； //關配置方式

CE=1； //使能收發(fā)功能

}

（3）接收函數(shù)

void Receiver(void){

unsigned char b;

CS=1; //打開配置方式

for(b=0;b<rconf.n;b++){

SpiReadWrite(rconf.buf[b]); //發(fā)送接收器配置字

}

CS=0； //關配置方式

for(;;){

b=ReceivePacket(); //接收數(shù)據(jù)包

…………//接收后的處理函數(shù)等，可自己擴展

}

}

（4）發(fā)送函數(shù)

void Transmitter(void){

unsigned char b;

CS=1; //開配置方式

for(b=0;b<tconf.n;b++){

SpiReadWrite(tconf.buf[b]);//發(fā)送發(fā)送器配置字

}

CS=0； //關配置方式

b=KeyByte; //讀取數(shù)據(jù)

TransmitPacket(b); //發(fā)送數(shù)據(jù)

}

（5）其它

nRF24E1程序除了主要的初始化配置函數(shù)、接收器配置函數(shù)、接收函數(shù)和發(fā)送函數(shù)外，還有接收包處理函數(shù)、發(fā)送包處理函數(shù)、接收器配置字和發(fā)射器配置字等。Keil C51 V7.01及其以且的版本都支持nRF24E1，因此，編程非常方便。由于nRF24E1只有512字節(jié)的ROM，所以，在使用過程中，要擴展片外存儲器（Nordic公司推薦使用25320）。應用中，當VDD上電后，芯片通過SPI接口自動從片外存儲器讀取數(shù)據(jù)到片內4KB和RAM中以便程序運行時使用。