单片2.4ghz无线收发一体芯片nrf2401及其应用.doc

单片2.4GHz无线收发一体芯片nRF2401及其应用 --------------------------------------------------------------------------------------------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;nRF2401１　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ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ ＲＸ／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4４　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nrf2401 中文资料（2） nRF2401 的收发模式有ShockBurstTM 收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定，具体配置将在器件配置部分详细介绍3.1.1 ShockBurstTM 收发模式ShockBurstTM 收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。

与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高nRF2401 的ShockBurstTM 技术同时也减小了整个系统的平均工作电流在ShockBurstTM 收发模式下，nRF2401 自动处理字头和CRC 校验码在接收数据时，自动把字头和CRC 校验码移去在发送数据时，自动加上字头和CRC 校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕3.1.1.1 ShockBurstTM 发射流程接口引脚为CE，CLK1，DATAA. 当微控制器有数据要发送时，其把CE 置高，使nRF2401 工作；B. 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401；C. 微控制器把CE 置低，激发nRF2401 进行ShockBurstTM 发射；D. nRF2401 的ShockBurstTM 发射² 给射频前端供电；² 射频数据打包(加字头、CRC 校验码)；² 高速发射数据包；² 发射完成，nRF2401 进入空闲状态3.1.1.2 ShockBurstTM 接收流程接口引脚CE、DR1、CLK1 和DATA(接收通道1)A. 配置本机地址和要接收的数据包大小；B. 进入接收状态，把CE 置高；C. 200us 后，nRF2401 进入监视状态，等待数据包的到来；D. 当接收到正确的数据包(正确的地址和CRC 校验码)，nRF2401 自动把字头、地址和CRC 校验位移去；E. nRF2401 通过把DR1(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器；F. 微控制器把数据从nRF2401 移出；G. 所有数据移完，nRF2401 把DR1 置低，此时，如果CE 为高，则等待下一个数据包，如果CE 为低，开始其它工作流程。

3.1.2 直接收发模式在直接收发模式下，nRF2401 如传统的射频收发器一样工作3.1.2.1 直接发送模式接口引脚为CE、DATAA. 当微控制器有数据要发送时，把CE 置高；B. nRF2401 射频前端被激活；C. 所有的射频协议必须在微控制器程序中进行处理(包括字头、地址和CRC 校验码)3.1.2.2 直接接收模式接口引脚为CE、CLK1 和DATAA. 一旦nRF2401 被配置为直接接收模式，DATA 引脚将根据天线接收到的信号开始高低变化(由于噪声的存在)；B. CLK1 引脚也开始工作；C. 一旦接收到有效的字头，CLK1 引脚和DATA 引脚将协调工作，把射频数据包以其被发射时的数据从DATA 引脚送给微控制器；D. 这头必须是8 位；E. DR 引脚没用上，所有的地址和CRC 校验必须在微控制器内部进行3.2 配置模式在配置模式，15 字节的配置字被送到nRF2401，这通过CS、CLK1 和DATA 三个引脚完成，具体的配置方法请参考本文的器件配置部分3.3 空闲模式nRF2401 的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。

在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4MHz 时工作电流为12uA，外部晶振为16MHz 时工作电流为32uA在空闲模式下，配置字的内容保持在nRF2401 片内3.4 关机模式在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于1uA关机模式下，配置字的内容也会被保持在nRF2401 片内，这是该模式与断电状态最大的区别4. 器件配置nRF2401 的所有配置工作都是通过CS、CLK1 和DATA 三个引脚完成，把其配置为ShockBurstTM 收发模式需要15 字节的配置字，而如把其配置为直接收发模式只需要2 字节的配置字由上文对nRF2401 工作模式的介绍，我们可以知道，nRF2401 一般工作于ShockBurstTM 收发模式，这样，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高，因此，下文着重介绍把nRF2401 配置为ShockBurstTM 收发模式的器件配置方法ShockBurstTM 的配置字使nRF2401 能够处理射频协议，在配置完成后，在nRF2401 工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间切换。

ShockBurstTM 的配置字可以分为以下四个部分：数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数这使得nRF2401 能够区分接收数据包中的数据和CRC 校验码；地址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数这使得nRF2401 能够区分地址和数据；地址：接收数据的地址，有通道1 的地址和通道2 的地址；CRC：使nRF2401 能够生成CRC 校验码和解码当使用nRF2401 片内的CRC 技术时，要确保在配置字中CRC 校验被使能，并且发送和接收使用相同的协议nRF2401 配置字的各个位的描述如表3 所示在配置模式下，注意保证PWR_UP 引脚为高电平，CE 引脚为低电平配置字从最高位开始，依次送入nRF2401在CS 引脚的下降沿，新送入的配置字开始工作5. 应用电路为了您的安全，请只打开来源可靠的网址 打开网站    取消来自: 模块简介：RF2401SE无线通讯模块，采用2.4G全球开放ISM频段免许可证使用，最高工作速率达1Mbps，125频道满足多点通信和跳频通信需要，体积小巧约34mm*17mm*1mm，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制领域                                                                 二、 产品特点：    1．2.4Ghz 全球开放ISM 频段免许可证使用； 2．最高工作速率1Mbps，高效GFSK调。