基于nRF24E1無線傳輸?shù)脑O(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言
隨著科技的進(jìn)步，越來越多的無線技術(shù)正快速應(yīng)用到各種產(chǎn)品中。nrf24e1是挪威nordic公司推出的一款單片2.4ghz無線收發(fā)芯片，采用0.18 m cmos技術(shù)制造，以增強(qiáng)型51為內(nèi)核，9路10bitadc，采樣率可達(dá)100k，具有125個(gè)頻道，傳輸速率可達(dá)1mbps，內(nèi)置crc校驗(yàn)并支持多點(diǎn)通信。1.9~3.6v低功耗工作，內(nèi)置電壓監(jiān)視和復(fù)位電路，多種省電模式可供選擇，待機(jī)電流僅為2 a。nrf24e1可廣泛應(yīng)用于無線水表、煤氣、電表；無線智能傳感器；無線數(shù)據(jù)采集裝置；無線身份識(shí)別智能卡；無線火警探頭；無線耳機(jī)、麥克風(fēng)；無線鼠標(biāo)、無線鍵盤；pda手持終端等短距離無線通信場(chǎng)所。

概述

nrf24e1功能介紹

nrf24e1結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

nrf24e1微處理器的指令系統(tǒng)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051相兼容，但兩者的執(zhí)行時(shí)序稍有不同。通常，nrf24e1片內(nèi)微控制器、的指令周期為4到20個(gè)指令周期，而工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的8051為12～48個(gè)時(shí)鐘周期。nrf24e1的中斷控制器支持adc、spi、rf接收器1、rf接收器2、喚醒定時(shí)器、5個(gè)中斷源。nrf24e1擁有3個(gè)與8052一樣的定時(shí)器。在傳統(tǒng)的異步通信方式下，與8051兼容的uart可用作定時(shí)器1和定時(shí)器2的波特率發(fā)生器。nrf24e1的cpu集成了2個(gè)數(shù)據(jù)指針，以便于和外部ram進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。晶振直接為nrf24e1的微控制器提供了時(shí)鐘來源。

nrf24e1的微控制器中有256字節(jié)的數(shù)據(jù)ram和512字節(jié)的rom。上電復(fù)位或經(jīng)軟件初始化后，處理器自動(dòng)加載rom引導(dǎo)區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，從外部串口eeprom加載到1個(gè)4kb的ram中，這個(gè)4kb的ram也可作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用。如果不使用掩膜rom（即內(nèi)含的rom），程序代碼必須從外部非易失性存儲(chǔ)器中加載。這時(shí)，默認(rèn)的啟動(dòng)引導(dǎo)區(qū)使用spi接口的“通用25320”eeprom。為了控制標(biāo)準(zhǔn)8051沒有的功能，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也和標(biāo)準(zhǔn)8051有所不同，其它大部分的sfrs均與標(biāo)準(zhǔn)8051相同。

pwm

nrf24e1有一個(gè)可編程pwm輸出，它和dio9共同復(fù)用p0.7引腳，并可軟件編程決定pwm工作于6、7或8位。

spi（串行外設(shè)接口）

spi的3個(gè)口(sdi、sck和sdo)與gpio（din0、dio0和dio1）共同復(fù)用p1口的三個(gè)引腳（p1.0、p1.1、p1.2）。spi硬件不產(chǎn)生任何片選信號(hào)，通常用gpio位（p0口）來作為外部spi設(shè)備的片選口。

端口邏輯

nrf24e1有1個(gè)輸入，10個(gè)輸出引腳。p0（dio2~dio9）和p1（dio0、dio1、din0）默認(rèn)配置為gpio（通用輸入輸出端口）。多數(shù)gpio在程序控制下可復(fù)用，這些復(fù)用功能包括兩個(gè)外部中斷，uart rxd和txd，一個(gè)spi主機(jī)端口，三個(gè)定時(shí)器和pwm輸出。

rtc喚醒定時(shí)器、wtd（看門狗）和rc振蕩器

nrf24e1內(nèi)有一個(gè)低功耗的rc振蕩器。該振蕩器在vdd≥1.8v時(shí)，會(huì)持續(xù)工作。rtc喚醒定時(shí)器和wtd（看門狗）是2個(gè)16位的可編程定時(shí)器，它們的工作時(shí)鐘為rc振蕩器的lp_osc。喚醒定時(shí)器和看門狗的定時(shí)時(shí)間約為300 s～80ms，其默認(rèn)值為10ms。喚醒定時(shí)器由用戶軟件控制啟動(dòng)和停止。看門狗在復(fù)位后被禁止，再次復(fù)位后才能被激活。

a/d轉(zhuǎn)換器

nrf24e1內(nèi)有9通道10位adc，線性轉(zhuǎn)換時(shí)間為每10位48個(gè)cpu指令周期。a/d轉(zhuǎn)換器可在arfe輸入和內(nèi)部1.22v的帶隙參考之間進(jìn)行軟件選擇。轉(zhuǎn)換器的9個(gè)輸入可由軟件進(jìn)行選擇。通道0～7可以轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)引腳ain0～ain7上的電壓值，通道8用于對(duì)nrf24e1工作電壓的監(jiān)控。a/d轉(zhuǎn)換器默認(rèn)配置為10位，為滿足需要，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。

無線收發(fā)器

nrf24e1收發(fā)器通過內(nèi)部并行口或內(nèi)部spi口與其他模塊進(jìn)行通信，同單片射頻收發(fā)器nrf2401具有相同的功能。duoceiver接收器輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)，可通過程序使其作為微處理器的中斷或通過gpio口傳給cpu。nrf24e1工作于全球開放的2.4～2.5ghz頻段。收發(fā)器由1個(gè)完整的頻率合成器、1個(gè)功率放大器、1個(gè)調(diào)節(jié)器和2個(gè)接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數(shù)可通過對(duì)radio寄存器（sfr 0xa0）編程進(jìn)行控制。發(fā)射模式下，射頻電流消耗僅為10.5ma，接收模式下為18ma。為了節(jié)能，可通過軟件程序控制收發(fā)器的開/關(guān)。

硬件設(shè)計(jì)

nrf24e1收發(fā)核心電路如圖2所示。

nrf24e1具有增強(qiáng)型8051內(nèi)核，keil c51支持nrf24e1開發(fā)，因此利用c51開發(fā)經(jīng)驗(yàn)即可編出高效優(yōu)質(zhì)的代碼。此程序是經(jīng)keil c51 v7.05編譯并調(diào)試通過，篇幅有限，僅列出主要功能函數(shù)。

(1)初始化程序如下：

void init(void){
//配置i/o口
p0_alt=0x06; // p0.1為rxd，p0.2為txd
p0_dir=0x09; // p0.0和p0.3設(shè)為輸入
p1_dir=0x03; // p1.0和p1.1設(shè)為輸入
pwr_up=1; //開radio，讀時(shí)不用，寫時(shí)為電源
spiclk=0; //spi時(shí)鐘為xtal/8
spi_ctrl=0x02; //把spi與收發(fā)通道1（ch1）相連
//串口通訊初始化
th1 = 0x0f3; // 晶振為16mhz，波特率為19200(當(dāng)t1m=1且smod=1時(shí))
ckcon |= 0x10; // t1m=1 (計(jì)數(shù)器時(shí)鐘為cpu時(shí)鐘的1/4)
pcon = 0x80; // smod=1 (雙倍波特率)
scon = 0x52; // 采用串口模式1，使能接收器
tmod = 0x20; // 使用計(jì)數(shù)器1，8位計(jì)數(shù)值自動(dòng)重載
tcon = 0x40; // 啟動(dòng)計(jì)數(shù)器
}
(2)接收器配置函數(shù)

void init_receiver(void){
unsigned char b;
cs = 1; //打開配置方式
delay100us(0);
for(b=0;b {
spireadwrite(rconf.buf[b]); //發(fā)送接收器配置字
}
cs = 0; // 關(guān)配置方式
ce = 1; // 使能收發(fā)功能
} (3)接收函數(shù)
void receiver(void){
unsigned char b;
cs = 1; //打開配置模式
delay100us(0);
for(b=0;b spireadwrite(rconf.buf[b]); //發(fā)送接收器配置字
}
cs = 0; //關(guān)配置模式
for(;;){
b = receivepacket(); //接收數(shù)據(jù)包
putchar(b); //串口通信函數(shù)，將接收到的數(shù)據(jù)通過串口傳送
}
}

（4）發(fā)送函數(shù)

void transmitter(void){
unsigned char b;
cs = 1;
delay100us(0);
for(b=0;b spireadwrite(tconf.buf[b]); //發(fā)送發(fā)送器配置字
}
cs = 0;
for(;;){
b= readadc(); // 讀a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果
putchar(b);
transmitpacket(b); // 發(fā)送數(shù)據(jù)包
}
}

此程序除了以上函數(shù)外，還有串口通訊函數(shù)、讀a/d轉(zhuǎn)換結(jié)果函數(shù)、接收包處理函數(shù)和發(fā)送包處理函數(shù)等。

結(jié)論

本設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。經(jīng)實(shí)際調(diào)試應(yīng)用完全可用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸，收到了良好的效果。1mbps完全滿足一般無線傳輸?shù)囊蟆Ｈ暨M(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)可將程序?qū)戇M(jìn)nrf24e1的內(nèi)部ram中，從而省去了外部串口eeprom，節(jié)約了成本。