2.4GHz射频收发芯片nRF2401及其应用.doc

2.4GHz射频收发芯片nRF2401及其应用
2007-04-29 10:41
摘　要：本文介绍了工作于2.4GHz ISM频段的射频收发芯片nRF2401的芯片结构、引脚功能、工作模式、接收与发送的工作流程，详细描述了nRF2401的器件配置，给出了应用电路图，分析了PCB设计时应该注意的问题，最后对全文进行了总结。
关键词：nRF2401；射频；无线通信；收发芯片
1. 引言
nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。
2. 芯片结构、引脚说明
2.1 芯片结构
　　 nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。QFN24引脚封装，外形尺寸只有5×5mm。nRF2401的功能模块如图1所示。

2.2 引脚说明
表1：nRF2401引脚

3. 工作模式
nRF2401有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三个引脚决定，详见表2。
表2：nRF2401工作模式

3.1 收发模式
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，DATA
A. 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、DATA
A. 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DATA
A. 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。

　表3：nRF2401配置字描述

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

　图2为nRF2401的应用电路，由图可知，其只需要14个外围元件。nRF2401应用电路一般工作于3V，它可用多种低功耗微控制器进行控制。在设计过程中，设计者可使用单鞭天线或环形天线，上图为50欧姆单鞭天线的应用电路。在使用不同的天线时，为了得到尽可能大的收发距离，电感电容的参数应适当调整
6. PCB设计
PCB设计对nRF2401的整体性能影响很大，所以PCB设计在nRF2401收发系统的开发过程中主要的工作之一，在PCB设计时，必须考虑到各种电磁干扰，注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意电容的位置。
nRF2401的PCB一般都是双层板，底层一般不放置元件，为地层，顶层的空余地方一般都敷上铜，这些敷铜通过过孔与底层的地相连。直流电源及电源滤波电容尽量靠近VDD引脚。nRF2401的供电电源应通过电容隔开，这样有利于给nRF2401提供稳定的电源。在PCB中，尽量多打一些通孔，使顶层和底层的地能够充分接触。
7. 结束语
nRF2401通过ShockBurstTM收发模式进行无线数据发送，收发可靠，其外形尺寸小，需要的外围元器件也少，因此，使用方便，在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。