基于nRF24E1无线传输的设计与应用

引言
随着科技的进步，越来越多的无线技术正快速应用到各种产品中。nrf24e1是挪威nordic公司推出的一款单片2.4ghz无线收发芯片，采用0.18 m cmos技术制造，以增强型51为内核，9路10bitadc，采样率可达100k，具有125个频道，传输速率可达1mbps，内置crc校验并支持多点通信。1.9~3.6v低功耗工作，内置电压监视和复位电路，多种省电模式可供选择，待机电流仅为2 a。nrf24e1可广泛应用于无线水表、煤气、电表；无线智能传感器；无线数据采集装置；无线身份识别智能卡；无线火警探头；无线耳机、麦克风；无线鼠标、无线键盘；pda手持终端等短距离无线通信场所。

概述

nrf24e1功能介绍

nrf24e1结构框图如图1所示。

nrf24e1微处理器的指令系统与工业标准的8051相兼容，但两者的执行时序稍有不同。通常，nrf24e1片内微控制器、的指令周期为4到20个指令周期，而工业标准的8051为12～48个时钟周期。nrf24e1的中断控制器支持adc、spi、rf接收器1、rf接收器2、唤醒定时器、5个中断源。nrf24e1拥有3个与8052一样的定时器。在传统的异步通信方式下，与8051兼容的uart可用作定时器1和定时器2的波特率发生器。nrf24e1的cpu集成了2个数据指针，以便于和外部ram进行数据传递。晶振直接为nrf24e1的微控制器提供了时钟来源。

nrf24e1的微控制器中有256字节的数据ram和512字节的rom。上电复位或经软件初始化后，处理器自动加载rom引导区中的代码。用户程序通常是在引导区的引导下，从外部串口eeprom加载到1个4kb的ram中，这个4kb的ram也可作存储数据用。如果不使用掩膜rom（即内含的rom），程序代码必须从外部非易失性存储器中加载。这时，默认的启动引导区使用spi接口的“通用25320”eeprom。为了控制标准8051没有的功能，nrf24e1增加了一些特殊功能寄存器，如radio（p2）、adccon、adcdatah、pwmcon、pwmduty、rstreas等。其p0和p1也和标准8051有所不同，其它大部分的sfrs均与标准8051相同。

pwm

nrf24e1有一个可编程pwm输出，它和dio9共同复用p0.7引脚，并可软件编程决定pwm工作于6、7或8位。

spi（串行外设接口）

spi的3个口(sdi、sck和sdo)与gpio（din0、dio0和dio1）共同复用p1口的三个引脚（p1.0、p1.1、p1.2）。spi硬件不产生任何片选信号，通常用gpio位（p0口）来作为外部spi设备的片选口。

端口逻辑

nrf24e1有1个输入，10个输出引脚。p0（dio2~dio9）和p1（dio0、dio1、din0）默认配置为gpio（通用输入输出端口）。多数gpio在程序控制下可复用，这些复用功能包括两个外部中断，uart rxd和txd，一个spi主机端口，三个定时器和pwm输出。

rtc唤醒定时器、wtd（看门狗）和rc振荡器

nrf24e1内有一个低功耗的rc振荡器。该振荡器在vdd≥1.8v时，会持续工作。rtc唤醒定时器和wtd（看门狗）是2个16位的可编程定时器，它们的工作时钟为rc振荡器的lp_osc。唤醒定时器和看门狗的定时时间约为300 s～80ms，其默认值为10ms。唤醒定时器由用户软件控制启动和停止。看门狗在复位后被禁止，再次复位后才能被激活。

a/d转换器

nrf24e1内有9通道10位adc，线性转换时间为每10位48个cpu指令周期。a/d转换器可在arfe输入和内部1.22v的带隙参考之间进行软件选择。转换器的9个输入可由软件进行选择。通道0～7可以转换对应引脚ain0～ain7上的电压值，通道8用于对nrf24e1工作电压的监控。a/d转换器默认配置为10位，为满足需要，可通过软件使其工作于6位、8位或12位方式。

无线收发器

nrf24e1收发器通过内部并行口或内部spi口与其他模块进行通信，同单片射频收发器nrf2401具有相同的功能。duoceiver接收器输出的数据准备信号，可通过程序使其作为微处理器的中断或通过gpio口传给cpu。nrf24e1工作于全球开放的2.4～2.5ghz频段。收发器由1个完整的频率合成器、1个功率放大器、1个调节器和2个接收器组成。输出功率、频道和其它射频参数可通过对radio寄存器（sfr 0xa0）编程进行控制。发射模式下，射频电流消耗仅为10.5ma，接收模式下为18ma。为了节能，可通过软件程序控制收发器的开/关。

硬件设计

nrf24e1收发核心电路如图2所示。

nrf24e1具有增强型8051内核，keil c51支持nrf24e1开发，因此利用c51开发经验即可编出高效优质的代码。此程序是经keil c51 v7.05编译并调试通过，篇幅有限，仅列出主要功能函数。

(1)初始化程序如下：

void init(void){
//配置i/o口
p0_alt=0x06; // p0.1为rxd，p0.2为txd
p0_dir=0x09; // p0.0和p0.3设为输入
p1_dir=0x03; // p1.0和p1.1设为输入
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与收发通道1（ch1）相连
//串口通讯初始化
th1 = 0x0f3; // 晶振为16mhz，波特率为19200(当t1m=1且smod=1时)
ckcon |= 0x10; // t1m=1 (计数器时钟为cpu时钟的1/4)
pcon = 0x80; // smod=1 (双倍波特率)
scon = 0x52; // 采用串口模式1，使能接收器
tmod = 0x20; // 使用计数器1，8位计数值自动重载
tcon = 0x40; // 启动计数器
}
(2)接收器配置函数

void init_receiver(void){
unsigned char b;
cs = 1; //打开配置方式
delay100us(0);
for(b=0;b {
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; //打开配置模式
delay100us(0);
for(b=0;b spireadwrite(rconf.buf[b]); //发送接收器配置字
}
cs = 0; //关配置模式
for(;;){
b = receivepacket(); //接收数据包
putchar(b); //串口通信函数，将接收到的数据通过串口传送
}
}

（4）发送函数

void transmitter(void){
unsigned char b;
cs = 1;
delay100us(0);
for(b=0;b spireadwrite(tconf.buf[b]); //发送发送器配置字
}
cs = 0;
for(;;){
b= readadc(); // 读a/d转换结果
putchar(b);
transmitpacket(b); // 发送数据包
}
}

此程序除了以上函数外，还有串口通讯函数、读a/d转换结果函数、接收包处理函数和发送包处理函数等。

结论

本设计电路简单，易于实现。经实际调试应用完全可用于点对点及点对多点的无线数据传输，收到了良好的效果。1mbps完全满足一般无线传输的要求。若进行批量生产时可将程序写进nrf24e1的内部ram中，从而省去了外部串口eeprom，节约了成本。