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系统级RF芯片nRF24E1收发原理与应用编程

作者:时间:2004-12-07来源:网络收藏

摘要:的角度出发,阐述n24E1的RADIO口控制方法和工作过程;分析n24E1的方式;详细介绍ShockBUrst技术、DuoCeiver技术和中器件的配置方法并通过代码说明实际中的方法。

关键词:n24E1 射频 无线通信 配置

引言

n24E1器是Nordic VLSI推出的级射频,采用先进的0.18μm CMOS工艺、6mm6mm的36引脚QFN封装,以nRF240 RF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、完事的低成本射频级芯片。

由于片内集成了RADIO模块,在使用中,只需要一片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。使用时,必须进行相应的配置工作。下面,详细讲述nRF24E1的收发方法,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;brconf.n;b++){ //b15

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

}

CS=0; //关配置方式

CE=1; //使能收发功能

}

(3)接收函数

void Receiver(void){

unsigned char b;

CS=1; //打开配置方式

for(b=0;brconf.n;b++){

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

}

CS=0; //关配置方式

for(;;){

b=ReceivePacket(); //接收数据包

…………//接收后的处理函数等,可自己扩展

}

}

(4)发送函数

void Transmitter(void){

unsigned char b;

CS=1; //开配置方式

for(b=0;btconf.n;b++){

SpiReadWrite(tconf.buf[b]);//发送发送器配置字

}

CS=0; //关配置方式

b=KeyByte; //读取数据

TransmitPacket(b); //发送数据

}

(5)其它

nRF24E1程序除了主要的初始化配置函数、接收器配置函数、接收函数和发送函数外,还有接收包处理函数、发送包处理函数、接收器配置字和发射器配置字等。Keil C51 V7.01及其以且的版本都支持nRF24E1,因此,非常方便。由于nRF24E1只有512字节的ROM,所以,在使用过程中,要扩展片外存储器(Nordic公司推荐使用25320)。应用中,当VDD上电后,芯片通过SPI接口自动从片外存储器读取数据到片内4KB和RAM中以便程序运行时使用。



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