单片2.4GHz无线收发一体芯片nRF2401及其应用

摘要：nRF2401是挪威Nordic公司推出的单片2.4GHz无线收发一体芯片。它将射频、8051MCU、9通道１２位ADC、外围元件、电感和滤波器全部集成到单芯片中，并采用２.４GHz频带和０.18μｍ工艺，可提供ShockBurst、DuoCeiver、片上CRC以及地址计算编码等功能。文章详细介绍了nRF2401的结构特点、引脚功能和工作原理，给出了它的典型应用电路。 关键词：无线收发器；ShockBurst；DuoCeiver;nRF2401 １　概述 ｎＲＦ２４０１无线收发一体芯片和蓝牙一样，都工作在２．４ＧＨｚ自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。ｎＲＦ２４０１支持多点间通信，最高传输速率超过１Ｍｂｉｔ／Ｓ，而且比蓝牙具有更高的传输速度。它采用ＳｏＣ方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是，ｎＲＦ２４０１没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。更重要的是，ｎＲＦ２４０１比蓝牙产品更便宜。所以ｎＲＦ２４０１是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。 ２　主要特点和引脚功能 ｎＲＦ２４０１的引脚排列如图１（顶视图）所示。它采用５ｍｍ%26;#215;５ｍｍ的２４引脚ＱＦＮ封装。ｎＲＦ２４０１的主要特点如下： ●采用全球开放的２.４ＧＨｚ频段，有１２５个频道，可满足多频及跳频需要； ●速率（１Ｍｂｐｓ）高于蓝牙，且具有高数据吞吐量； ●外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路； ●发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置； ●电源电压范围为１.９～３.６Ｖ，功耗很低； ●电流消耗很小，－５ｄＢｍ输出功率时的典型峰值电流为１０.５ｍＡ； ●芯片内部设置有专门的稳压电路，因此，使用任何电源（包括ＤＣ／ＤＣ开关电源）均有很好的通信效果； ●每个芯片均可以通过软件设置最多４０ｂｉｔ地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据（提供一个中断指示），同时编程也很方便； ●内置ＣＲＣ纠检错硬件电路和协议； ●采用ＤｕｏＣｅｉｖｅｒ技术可同时接收两个ｎＲＦ２４０１的数据； ●采用ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ模式时，能适用极低的功率操作和不严格的ＭＣＵ执行； ●带有集成增强型８０５１内核、 ９路１０ｂｉｔＡＤＣ、ＵＡＲＴ异步串口、ＳＰＩ串口和ＰＷＭ输出； ●内置看门狗； ●无需外部ＳＡＷ滤波器； ●可１００％ＲＦ检验； ●带有数据时隙和数据时钟恢复功能。 ３ 工作原理 ｎＲＦ２４０１的内部结构原理及外部组成框图如图２所示，下面介绍其工作原理。 ３．１ ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ模式 ｎＲＦ２４０１的ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ ＲＸ／ＴＸ模式采用片上先进先出（ＦＩＦＯ）来进行低数据率的时钟同步和高数据率的传输，因此极大的降低了功耗。 ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ发射主要通过ＭＣＵ接口引脚ＣＥ、ＣＬＫ１和ＤＡＴＡ来完成。当ＭＣＵ请求发送数据时，置ＣＥ为高电平，此时的接收机地址和有效载荷数据作为 ｎＲＦ２４０１的内部时钟，可用请求协议或ＭＣＵ将速率调至１Ｍｂｐｓ；置ＣＥ为低电平可激活ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ发射。 ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ接收主要使用ＭＣＵ接口引脚ＣＥ、 ＤＲ１、 ＣＬＫ１和ＤＡＴＡ来实现。当正确设置射频包输入载荷的地址和大小后，置ＣＥ为高电平可激活ＲＸ。此后便可在ｎＲＦ２４０１监测信息输入２００μｓ，若收到有效数据包，则给ＭＣＵ一个中断并置ＤＲ１为高电平，以使ＭＣＵ 以时钟形式输出有效载荷数据，待系统收到全部数据后ｎＲＦ２４０１再置ＤＲ１为低此时如果ＣＥ保持高电平，则等待新的数据包。若ＣＥ置低电平，则开始接收新的序列。 ３．２ ＤｕｏＣｅｉｖｅｒＴＭ的双信道接收模式 ｎＲＦ２４０１的 ＤｕｏＣｅｉｖｅｒＴＭ技术为ＲＸ提供了两个独立的专用数字信道，因而可代替两个单独接收系统。图３所示是ＤｕｏＣｅｉｖｅｒＴＭ同时双接收信道结构图。ｎＲＦ２４０１ 可以通过一个天线接口从相隔８ＭＨｚ的两个１Ｍｂｐｓ接收机上接收数据。同时将两个数字信道的输出反馈到两个单独的ＭＣＵ接口。具体的两个信道如下: 数字信道１：ＣＬＫ１，ＤＡＴＡ，ＤＲ１； 数字信道２：ＣＬＫ２，ＤＯＵＴ２，ＤＲ２； 应当说明的是,数字信道２的频率只有在比数字信道１的频率高出８ＭＨｚ时，才能保证正常接收。 图4 ４　典型应用 ｎＲＦ２４０１的电源电压范围为１.９～３.６Ｖ，可工作在－４０～＋８５℃的温度范围内。灵敏度为－９０ｄｂｍ。图４是ｎＲＦ２４０１的一个典型应用电路。该电路由５０Ｖ陶瓷电容器（Ｃ１～Ｃ９）、ｎＲＦ２４０１无线电收发器（Ｕ１）以及一个晶振组成，由图可见，该电路外围元件很少。