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單片射頻收發(fā)器nRF905及其應(yīng)用
摘要：本文首先介紹了單片射頻收發(fā)器nRF905的芯片結(jié)構(gòu)、引腳功能、工作模式以及射頻接收和發(fā)送的工作流程；然后分析了nRF905片內(nèi)SPI接口的配置、射頻通信相關(guān)寄存器的配置；最后給出了典型的應(yīng)用電路圖。關(guān)鍵詞：無線通信；射頻；收發(fā)器；nRF905
1.引言
nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的單片射頻收發(fā)器，工作電壓為1.9～3.6V，32引腳QFN封裝(5×5mm)，工作于433/868/915MHz三個(gè)ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué))頻道，頻道之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于650us。nRF905由頻率合成器、接收解調(diào)器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器組成，不需外加聲表濾波器，ShockBurstTM工作模式，自動(dòng)處理字頭和CRC(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))，使用SPI接口與微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的輸出功率發(fā)射時(shí)電流只有11mA，工作于接收模式時(shí)的電流為12.5mA，內(nèi)建空閑模式與關(guān)機(jī)模式，易于實(shí)現(xiàn)節(jié)能。nRF905適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線報(bào)警及安全系統(tǒng)、無線開鎖、無線監(jiān)測、家庭自動(dòng)化和玩具等諸多領(lǐng)域。
2.芯片結(jié)構(gòu)、引腳介紹及工作模式
2.1芯片結(jié)構(gòu)[1]
nRF905片內(nèi)集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊，曼徹斯特編碼/解碼由片內(nèi)硬件完成，無需用戶對數(shù)據(jù)進(jìn)行曼徹斯特編碼，因此使用非常方便。nRF905的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
2.2引腳介紹
表1：nRF905引腳
2.3工作模式
nRF905有兩種工作模式和兩種節(jié)能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發(fā)送模式，兩種節(jié)能模式分別是關(guān)機(jī)模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個(gè)引腳決定，詳見表2。
2.3.1ShockBurstTM模式
與射頻數(shù)據(jù)包有關(guān)的高速信號(hào)處理都在nRF905片內(nèi)進(jìn)行，數(shù)據(jù)速率由微控制器配置的SPI接口決定，數(shù)據(jù)在微控制器中低速處理，但在nRF905中高速發(fā)送，因此中間有很長時(shí)間的空閑，這很有利于節(jié)能。由于nRF905工作于ShockBurstTM模式，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。在ShockBurstTM接收模式下，當(dāng)一個(gè)包含正確地址和數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包被接收到后，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好(DR)兩引腳通知微控制器。在ShockBurstTM發(fā)送模式，nRF905自動(dòng)產(chǎn)生字頭和CRC校驗(yàn)碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，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。由以上分析可知，nRF905的ShockBurstTM收發(fā)模式有利于節(jié)約存儲(chǔ)器和微控制器資源，同時(shí)也減小了編寫程序的時(shí)間。下面具體詳細(xì)分析nRF905的發(fā)送流程和接收流程。
2.3.1.1發(fā)送流程
典型的nRF905發(fā)送流程分以下幾步：
A.當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，通過SPI接口，按時(shí)序把接收機(jī)的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)送傳給nRF905，SPI接口的速率在通信協(xié)議和器件配置時(shí)確定；
B.微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激發(fā)nRF905的ShockBurstTM發(fā)送模式；
C.nRF905的ShockBurstTM發(fā)送：
l射頻寄存器自動(dòng)開啟；
l數(shù)據(jù)打包(加字頭和CRC校驗(yàn)碼)；
l發(fā)送數(shù)據(jù)包；
l當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完成，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳被置高；
D.AUTO_RETRAN被置高，nRF905不斷重發(fā)，直到TRX_CE被置低；
E.當(dāng)TRX_CE被置低，nRF905發(fā)送過程完成，自動(dòng)進(jìn)入空閑模式。
ShockBurstTM工作模式保證，一旦發(fā)送數(shù)據(jù)的過程開始，無論TRX_EN和TX_EN引腳是高或低，發(fā)送過程都會(huì)被處理完。只有在前一個(gè)數(shù)據(jù)包被發(fā)送完畢，nRF905才能接受下一個(gè)發(fā)送數(shù)據(jù)包。
2.3.1.2接收流程
A.當(dāng)TRX_CE為高、TX_EN為低時(shí)，nRF905進(jìn)入ShockBurstTM接收模式；
B.650us后，nRF905不斷監(jiān)測，等待接收數(shù)據(jù)；
C.當(dāng)nRF905檢測到同一頻段的載波時(shí)，載波檢測引腳被置高；
D.當(dāng)接收到一個(gè)相匹配的地址，地址匹配引腳被置高；
E.當(dāng)一個(gè)正確的數(shù)據(jù)包接收完畢，nRF905自動(dòng)移去字頭、地址和CRC校驗(yàn)位，然后把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳置高
F.微控制器把TRX_CE置低，nRF905進(jìn)入空閑模式；
G.微控制器通過SPI口，以一定的速率把數(shù)據(jù)移到微控制器內(nèi)；
H.當(dāng)所有的數(shù)據(jù)接收完畢，nRF905把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳和地址匹配引腳置低；
I.nRF905此時(shí)可以進(jìn)入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM發(fā)送模式或關(guān)機(jī)模式。
當(dāng)正在接收一個(gè)數(shù)據(jù)包時(shí)，TRX_CE或TX_EN引腳的狀態(tài)發(fā)生改變，nRF905立即把其工作模式改變，數(shù)據(jù)包則丟失。當(dāng)微處理器接到地址匹配引腳的信號(hào)之后，其就知道nRF905正在接收數(shù)據(jù)包，其可以決定是讓nRF905繼續(xù)接收該數(shù)據(jù)包還是進(jìn)入另一個(gè)工作模式。
2.3.2節(jié)能模式
nRF905的節(jié)能模式包括關(guān)機(jī)模式和節(jié)能模式
。
在關(guān)機(jī)模式，nRF905的工作電流最小，一般為2.5uA。進(jìn)入關(guān)機(jī)模式后，nRF905保持配置字中的內(nèi)容，但不會(huì)接收或發(fā)送任何數(shù)據(jù)。
空閑模式有利于減小工作電流，其從空閑模式到發(fā)送模式或接收模式的啟動(dòng)時(shí)間也比較短。在空閑模式下，nRF905內(nèi)部的部分晶體振蕩器處于工作狀態(tài)。nRF905在空閑模式下的工作電流跟外部晶體振蕩器的頻率有關(guān)。
3.器件配置
所有配置字都是通過SPI接口送給nRF905。SIP接口的工作方式可通過SPI指令進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)nRF905處于空閑模式或關(guān)機(jī)模式時(shí)，SPI接口可以保持在工作狀態(tài)。
3.1SPI接口配置
SPI接口由狀態(tài)寄存器、射頻配置寄存器、發(fā)送地址寄存器、發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器和接收數(shù)據(jù)寄存器5個(gè)寄存器組成。狀態(tài)寄存器包含數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳狀態(tài)信息和地址匹配引腳狀態(tài)信息；射頻配置寄存器包含收發(fā)器配置信息，如頻率和輸出功能等；發(fā)送地址寄存器包含接收機(jī)的地址和數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器包含待發(fā)送的數(shù)據(jù)包的信息，如字節(jié)數(shù)等；接收數(shù)據(jù)寄存器包含要接收的數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)等信息。
3.2射頻配置
射頻配置寄存器和內(nèi)容如表3所示：
表3：射頻配置寄存器
射頻寄存器的各位的長度是固定的。然而，在ShockBurstTM收發(fā)過程中，TX_PAYLOAD、RX_PAYLOAD、TX_ADDRESS和RX_ADDRESS4個(gè)寄存器使用字節(jié)數(shù)由配置字決定。nRF905進(jìn)入關(guān)機(jī)模式或空閑模式時(shí)，寄存器中的內(nèi)容保持不變。
4.應(yīng)用電路
nRF905在使用中，根據(jù)不同需要，其電路圖不盡相同，圖2所示為典型的應(yīng)用原理圖，該電路天線部分使用的是50Ω單端天線。在nRF905的電路板設(shè)計(jì)中，也可以使用環(huán)形天線，把天線布在PCB板上，這可減小系統(tǒng)的體積。更詳細(xì)的設(shè)計(jì)，讀者可參考nRF905的芯片手冊[2]。
5.結(jié)束語
nRF905通過SPI接口和微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，通過ShockBurstTM收發(fā)模式進(jìn)行無線數(shù)據(jù)發(fā)送，收發(fā)可靠，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。
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