系统级RF芯片nRF24E1收发原理与应用编程

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系统级RF芯片nRF24E1收发原理与应用编程

摘要：从应用的角度出发，阐述系统级RF收发芯片nRF24E1的RADIO口控制方法和工作过程；分析nRF24E1的收发方式；详细介绍ShockBUrst技术、DuoCeiver技术和应用中器件的配置方法并通过代码说明实际应用中的编程方法。    关键词：nRF24E1 射频 无线通信 配置
引言
nRF24E1收发器是Nordic VLSI推出的系统级射频芯片，采用先进的0.18μm CMOS工艺、6mm×6mm的36引脚QFN封装，以nRF240 RF芯片结构为基础，将射频率、8051MCU、9输入10位ADC、125通道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到单芯片中，是目前世界首次推出的、全球2.4GHz通用的、完事的低成本射频系统级芯片。
由于nRF24E1片内集成了RADIO模块，在使用中，只需要一片nRF24E1和少数的外围元件就能完成射频收发功能，因此，大大减少了系统的体积。使用nRF24E1时，必须进行相应的配置工作。下面，详细讲述nRF24E1的收发原理和编程方法，以供读者设计时参考。有关nRF24E1的介绍请见2004年第6期。
1 RADIO口
nRF24E1收发器的收发任务由RADIO口控制。RADIO口使用标准8051中的P2口地址。由于射频收发器是片内置的，并不是双向工作。为了满足射频收发子系统的需要，RADIO口的默认值与标准8051的P2默认值也不一样。
收发器由特殊功能豁口中的RADIO（0A0H）和SPI_CTRL(0B3H)控制。SPI_CTRL=00B时，SPI没用；SPI_CTRL=01B时，SPI连接到P1口；SPI_CTRL=10B时，SPI连到第一个nRF2401频道；SPI_CTRL=11B时，SPI连接到第二个nRF2401频道。RADIO豁口的各个位如图1所示。在nRF24E1头文件中，所定义的各个位的名字与图1中一样。
（1）用SPI口控制收发器
用芯片内嵌的SPI口控制收发器的操作非常方便。如RF配置和ShockBurst RX（接收）或TX（发送）。
（2）复位时RADIO口的状态
复位引脚为高电平时（无论是时钟是否有效），控制nRF2401收发子系统的RADIO输出位默认为RADIO.3（CS）=0，RADIO.6（CE）=0，RADIO.7(PWR_UP)=1。程序运行后，保持默认值，直到程序通过RADIO寄存器改变各位的值。

2 收发方式
通过PWR_UP、CE和CS三个控制引脚，可以设置nRF2401的工作方式。PWR_UP=1，CE=1，CS=0为收发方式；PWR_UP=1，CE=0，CS=1为配置方式；PWR_UP=1，CE=0，CS=0为空闲方式；PWPWR_UP=0时关机。
2.1 ShockBurst
nRF24E1的nRF2401收发子系统的收发方式只有ShockBurst。ShockBurst的功能由配置字决定。ShockBurst技术使用了片内的FIFO（先入先出）堆栈。虽然数据低速进入，但能高速发送，使能耗减到最低限度。
（1）ShockBurst发送
CPU接口引脚为CE、CLK1、DATA，工作流程如下：
①CPU有数据要发送时，把CE置高，nRF2401开始工作。
②接收节点地址和有效数据按时序被送到nRF2401子系统，可通过应用协议或CPU设置，使这个速度小于1Mbps(如10kbps)。
③CPU把CE置低，激活ShockBurst发送。
④ShockBurst。
*给RF前端供电；
*完成RF包处理（加前缀，CRC校验）；
*数据高速发送（250kbps或1Mbps，可由用户配置决定）；
*发送完成，nRF2401返回空闲信号。
（2）ShockBurst接收
CPU的接口引脚为CE、DR1、CLK1、DATA，工作流程如下：
①校验接收到的RF包的地址和欲接收的RF包中有效数据的长度。
②把CE置高，激活RX。
③经过200μs处理，nRF2401子系统监视启动并等待信号的到来。
④当收到一个有效的数据包（正确的地址和CRC），nRF2401子系统移去前缀、地址和CRC位。
⑤nRF2401子系统通过把DR1置高来通知CPU。
⑥CPU把CE置低，把RF前端设为低功耗方式。
⑦CPU将按时序以适当的速度（如10kbps）把有效数据取出。
⑧当所有的有效数据都送完，nRF2401子系统再次把DR1置低。如果CE保持为高，准备接收下一个数据包；CE为低，重新开始新的接收。
2.2 DuoCeiver
ShockBurst收发方式使nRF24E1能够方便地同时接收两个不同频率的频道发送的数据，并且能够使接收速度达到最大值。这意味着：
*nRF24E1通过一个天线，能够接收两个频率相差8MHz（8个频率通道）的1Mbps发射器（如nRF24E1、nRF2401或nRF2402）发送的数据。
*这两个不同数据频道的数据被分别送到两套不同的接口——数据频道1为CLK1、DATA和DR1，数据频道2为CLK2、DOUT2和DR2。
DuoCeiver技术提供了两个独立、专用于接收的数据频道，而不是采用两个相互独立的接收器。使用第二个数据频道必须满足要求：第二数据频道的工作频率至少比第一个频道的工作频率高8MHz。使用ShockBurst技术，CPU先取出其中一个数据频道中的数据，另一数据频道中的数据等待CPU处理完。这样不至于丢失数据；同时，也降低了对CPU性能的要求。
3 器件配置
在配置方式下，配置字最高可达18字节。nRF2401子系统的配置字通过一个简单的三线接口（CS、CLK1和DATA）送给配置寄存器。
3.1 ShockBurst的配置
ShockBurst方式配置字的作用是使nRF2401子系统能够处理RF协议。在实际操作中，一旦完成协议并装入了nRF2401子系统，只有1字节（bit[7:0]）的配置字需要更新。用于ShockBurst的配置字分为如下四块（详见表2）：
*有效数据宽度（DATA2_W和DATA1_W），指明RF包中有效数据的位数，这使nRF2401子系统能够区分接收到数据包中的有效数据和CRC字节；
*地址宽度（ADDR2和ADDR1），设置RF数据包中地址字节所占用的位数，最高为40位，这使nRF2401字节系统能够区分地址和有效数据；
*接收频道地址（ADDR_W），即接收数据的目标地址；
*CRC配置（CRC_L和CRC_EN），CRC_L用于设置CRC为8位或16位校验，CRC_L=0为8位，CRC_L=1为16位，CRC_EN使能片内的CRC。
在发送方式，CPU必须产生与接收数据的nRF2401子系统配置相同的地址和有效数据块。当使用nRF240子系统片内的CRC特性时，注意CRC是否已经使能，并且注意在发送器和接收器上使用相同的长度。
3.2 配置字描述
配置字的读取在CLK1的正边沿时，从MSB（最高位）开始。新的配置从CS的下降沿开始。假如nRF2401子系统需要配置为ShockBurst方式，两个接收频道，则在VDD（芯片电源）上电后，只需120位的配置字。在协议、工作方式和接收频道都配置好后，只需要1位（RXEN）来切换是接收或发射。在配置字被读取的过程中，MSB（最高位）最先被读到寄存器中。默认配置字为：h8E08.1C20.2000.0000.00E7.0000.E721.0F04,共18字节，可根据需要进行取舍。
ShockBurst数据包的总位数最多不能超过256位，可通过式（1）计算有效数据的最大位数。
DATAx_W(bits)=256-ADDR_W-CRC (1)
其中：ADDR_W为配置字中B[32:18]所设置的接收地址的长度，8位～40位；CRC为配置字B[17]所设置的校验字，8位或16位。4位或8位前缀是自动加进去的，不占用数据包的位数。由式（1）可知，要想在每个数据包中得到更长的有效数据，可减少地址和CRC校验位。
3.3 收发常用的配置
在两个接收频道的方式下，nRF24E1同时接收来自两个不同频率频道的数据。第一个频道的频率在配置字B[7-1]中设置，第二个频道通常比第一个频道的频率高8MHz。RX2_EN(B[15])为第二个频道的使能位：RX2_EN=0时，第二个频道不工作；RX2_EN=1时，第二个频道使能。RFDR_SB为收发速率设置位：RFDR_SB(B[13])=0时，收发速率为250kbps；RFDR_SB=1时，收发速率为1Mbps。16MHz晶振时，250kbps的收发灵敏度比1Mbps的高10dB。XO_F(B[12-10])为晶振选择位。RF_PWR(B[9-8])设置nRF24E1射频输出功率。
RF_CH#(B[7-1])设置nRF24E1的工作频率，可通过式（2）计算发射频率和频道1的接收频率，通过式（3）计算频道2的接收频率。RXEN为收发切换位。
ChannelRF=2400MHz+RF_CH#×1.0MHz (2)
ChannelRF=2400MHz+RF_CH#×1.0MHz+8MHz (3)
4 数据包描述
完整的射频数据包由四部分组成：前缀、地址、有效数据和CRC。前缀一般是8位，也要吧设置为4位，由地址的首位决定。如果地址的首位是0，前缀为01010101；如果地址的首位是1，前缀为10101010。ShockBurst方式，前缀、地址和CRC都是在接收器收到数据包后自动移去只留有效数据。
5 应用中的程序
下面所述的程序都是在Keil C51 V7.07下调试通过的。限于篇幅，只分析其中的主要函数代码。
（1）系统初始化函数
void Init(void){
//配置I/O口
P0_ALT=0x06;//P0_ALT=00000110B,P0.1为RXD，P0.2为TXD
P0_DIR=0x09;//P0_DIR=00001001B，P0.0和P0.3设为输入
P1_DIR=0x03;//P1_DIR=00000011B,P1.0和P1.1设为输入
…………//其它I/O口配置
PWR_UP=1;//开Radio，读时不用，写时为电源
SPICLK=0；//SPI时钟为XTAL/8
SPI_CTRL=0x02;//把SPI与第一收发通道（CH1）相连
…………//串口配置、A/D配置等，或自己系统相关的一些配置
}
（2）接收器配置函数
void Init_Receiver(void){
unsigned char b;
CS=1;//打开配置方式
for（b=0;b