摘 要：本文介紹了工作于2.4GHz ISM頻段的射頻收發(fā)芯片nRF2401 的芯片結(jié)構(gòu)、引腳功能、工作模式、接收與發(fā)送的工作流程，詳細(xì)描述了nRF2401的器件配置，給出了應(yīng)用電路圖，分析了PCB 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該注意的問(wèn)題，Zui后對(duì)全文進(jìn)行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：nRF2401；射頻；無(wú)線通信；收發(fā)芯片

1. 引言

nRF2401 是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4～2.5GHzISM頻段，芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流只有10.5mA，接收時(shí)工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。
其DuoCeiverTM 技術(shù)使nRF2401 可以使用同一天線，同時(shí)接收兩個(gè)不同頻道的數(shù)據(jù)。nRF2401適用于多種無(wú)線通信的場(chǎng)合，如無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無(wú)線鼠標(biāo)、遙控開(kāi)鎖、遙控玩具等。

2. 芯片結(jié)構(gòu)、引腳說(shuō)明

2.1 芯片結(jié)構(gòu)
nRF2401 內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時(shí)鐘處理器、GFSK濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很少的外圍元件，因此使用起來(lái)非常方便。QFN24引腳封裝，外形尺寸只有5×5mm。nRF2401 的功能模塊如圖1 所示。

圖1nRF2401功能模塊

2.2 引腳說(shuō)明
表1：nRF2401 引腳

3. 工作模式
nRF2401 有工作模式有四種：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機(jī)模式。nRF2401 的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS 三個(gè)引腳決定，詳見(jiàn)表2。
表2：nRF2401 工作模式

3.1收發(fā)模式

nRF2401的收發(fā)模式有ShockBurstTM 收發(fā)模式和直接收發(fā)模式兩種，收發(fā)模式由器件配置字決定，具體配置將在器件配置部分詳細(xì)介紹。
3.1.1 ShockBurstTM 收發(fā)模式
ShockBurstTM收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速?gòu)奈⒖刂破魉腿?，但高?1Mbps)發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號(hào)處理都在片內(nèi)進(jìn)行，這種做法有三大好處：盡量節(jié)能；低的系統(tǒng)費(fèi)用(低速微處理器也能進(jìn)行高速射頻發(fā)射)；數(shù)據(jù)在空中停留時(shí)間短，抗干擾性高。nRF2401的ShockBurstTM 技術(shù)同時(shí)也減小了整個(gè)系統(tǒng)的平均工作電流。
在ShockBurstTM 收發(fā)模式下，nRF2401 自動(dòng)處理字頭和CRC 校驗(yàn)碼。在接收數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)把字頭和CRC校驗(yàn)碼移去。在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)加上字頭和CRC 校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過(guò)程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。
3.1.1.1 ShockBurstTM 發(fā)射流程
接口引腳為CE，CLK1，DATA
A. 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，其把CE 置高，使nRF2401 工作；
B. 把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時(shí)序送入nRF2401；
C. 微控制器把CE 置低，激發(fā)nRF2401 進(jìn)行ShockBurstTM 發(fā)射；
D. nRF2401 的ShockBurstTM 發(fā)射
2 給射頻前端供電；
2 射頻數(shù)據(jù)打包(加字頭、CRC 校驗(yàn)碼)；
2 高速發(fā)射數(shù)據(jù)包；
2 發(fā)射完成，nRF2401 進(jìn)入空閑狀態(tài)。
3.1.1.2 ShockBurstTM 接收流程
接口引腳CE、DR1、CLK1 和DATA(接收通道1)
A. 配置本機(jī)地址和要接收的數(shù)據(jù)包大?。?br>B. 進(jìn)入接收狀態(tài)，把CE 置高；
C. 200us 后，nRF2401 進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)包的到來(lái)；
D. 當(dāng)接收到正確的數(shù)據(jù)包(正確的地址和CRC 校驗(yàn)碼)，nRF2401 自動(dòng)把字頭、地址和CRC 校驗(yàn)位移去；
E. nRF2401 通過(guò)把DR1(這個(gè)引腳一般引起微控制器中斷)置高通知微控制器；
F. 微控制器把數(shù)據(jù)從nRF2401 移出；
G. 所有數(shù)據(jù)移完，nRF2401 把DR1 置低，此時(shí)，如果CE 為高，則等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包，如果CE為低，開(kāi)始其它工作流程。
3.1.2 直接收發(fā)模式
在直接收發(fā)模式下，nRF2401 如傳統(tǒng)的射頻收發(fā)器一樣工作。
3.1.2.1 直接發(fā)送模式
接口引腳為CE、DATA
A. 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，把CE 置高；
B. nRF2401 射頻前端被激活；
C. 所有的射頻協(xié)議必須在微控制器程序中進(jìn)行處理(包括字頭、地址和CRC 校驗(yàn)碼)。
3.1.2.2 直接接收模式
接口引腳為CE、CLK1 和DATA
A. 一旦nRF2401 被配置為直接接收模式，DATA 引腳將根據(jù)天線接收到的信號(hào)開(kāi)始高低變化(由于噪聲的存在)；
B. CLK1 引腳也開(kāi)始工作；
C. 一旦接收到有效的字頭，CLK1 引腳和DATA 引腳將協(xié)調(diào)工作，把射頻數(shù)據(jù)包以其被發(fā)射時(shí)的數(shù)據(jù)從DATA引腳送給微控制器；[!--empirenews.page--]
D. 這頭必須是8 位；
E. DR 引腳沒(méi)用上，所有的地址和CRC 校驗(yàn)必須在微控制器內(nèi)部進(jìn)行。
3.2 配置模式
在配置模式，15 字節(jié)的配置字被送到nRF2401，這通過(guò)CS、CLK1 和DATA 三個(gè)引腳完成，具體的配置
方法請(qǐng)參考本文的器件配置部分。
3.3 空閑模式
nRF2401的空閑模式是為了減小平均工作電流而設(shè)計(jì)，其Zui大的優(yōu)點(diǎn)是，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)，縮短芯片的起動(dòng)時(shí)間。在空閑模式下，部分片內(nèi)晶振仍在工作，此時(shí)的工作電流跟外部晶振的頻率有關(guān)，如外部晶振為4MHz時(shí)工作電流為12uA，外部晶振為16MHz 時(shí)工作電流為32uA。在空閑模式下，配置字的內(nèi)容保持在nRF2401 片內(nèi)。
3.4 關(guān)機(jī)模式
在關(guān)機(jī)模式下，為了得到Zui小的工作電流，一般此時(shí)的工作電流小于1uA。關(guān)機(jī)模式下，配置字的內(nèi)容也會(huì)被保持在nRF2401片內(nèi)，這是該模式與斷電狀態(tài)Zui大的區(qū)別。

4.器件配置

nRF2401的所有配置工作都是通過(guò)CS、CLK1 和DATA 三個(gè)引腳完成，把其配置為ShockBurstTM 收發(fā)模式需要15字節(jié)的配置字，而如把其配置為直接收發(fā)模式只需要2 字節(jié)的配置字。由上文對(duì)nRF2401 工作模式的介紹，我們可以知道，nRF2401一般工作于ShockBurstTM 收發(fā)模式，這樣，系統(tǒng)的程序編制會(huì)更加簡(jiǎn)單，并且穩(wěn)定性也會(huì)更高，因此，下文著重介紹把nRF2401配置為ShockBurstTM 收發(fā)模式的器件配置方法。

ShockBurstTM的配置字使nRF2401 能夠處理射頻協(xié)議，在配置完成后，在nRF2401工作的過(guò)程中，只需改變其Zui低一個(gè)字節(jié)中的內(nèi)容，以實(shí)現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式之間切換。ShockBurstTM的配置字可以分為以下四個(gè)部分：
數(shù)據(jù)寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)占用的位數(shù)。這使得nRF2401 能夠區(qū)分接收數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)和CRC 校驗(yàn)碼；
地址寬度：聲明射頻數(shù)據(jù)包中地址占用的位數(shù)。這使得nRF2401 能夠區(qū)分地址和數(shù)據(jù)；
地址：接收數(shù)據(jù)的地址，有通道1 的地址和通道2 的地址；
CRC：使nRF2401 能夠生成CRC 校驗(yàn)碼和解碼。
當(dāng)使用nRF2401 片內(nèi)的CRC 技術(shù)時(shí)，要確保在配置字中CRC 校驗(yàn)被使能，并且發(fā)送和接收使用相同的協(xié)議。nRF2401配置字的各個(gè)位的描述如表3 所示。
表3：nRF2401 配置字描述

在配置模式下，注意保證PWR_UP引腳為高電平，CE 引腳為低電平。配置字從Zui高位開(kāi)始，依次送入nRF2401。在CS引腳的下降沿，新送入的配置字開(kāi)始工作。

5.應(yīng)用電路

圖2 為nRF2401 的應(yīng)用電路

由圖可知，其只需要14個(gè)外圍元件。nRF2401應(yīng)用電路一般工作于3V，它可用多種低功耗微控制器進(jìn)行控制。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者可使用單鞭天線或環(huán)形天線，上圖為50歐姆單鞭天線的應(yīng)用電路。在使用不同的天線時(shí)，為了得到盡可能大的收發(fā)距離，電感電容的參數(shù)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整。

6. PCB設(shè)計(jì)

PCB 設(shè)計(jì)對(duì)nRF2401的整體性能影響很大，所以PCB 設(shè)計(jì)在nRF2401 收發(fā)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中主要的工作之一，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到各種電磁干擾，注意調(diào)整電阻、電容和電感的位置，特別要注意電容的位置。
nRF2401 的PCB一般都是雙層板，底層一般不放置元件，為地層，頂層的空余地方一般都敷上銅，這些敷銅通過(guò)過(guò)孔與底層的地相連。直流電源及電源濾波電容盡量靠近VDD引腳。nRF2401 的供電電源應(yīng)通過(guò)電容隔開(kāi)，這樣有利于給nRF2401 提供穩(wěn)定的電源。在PCB中，盡量多打一些通孔，使頂層和底層的地能夠充分接觸。

7. 結(jié)束語(yǔ)

nRF2401通過(guò)ShockBurstTM收發(fā)模式進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送，收發(fā)可靠，其外形尺寸小，需要的外圍元器件也少，因此，使用方便，在工業(yè)控制、消費(fèi)電子等各個(gè)領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。