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2.4GHz射頻收發芯片nRF2401及其應用
摘要：本文介紹了工作于2.4GHzISM頻段的射頻收發芯片nRF2401的芯片結構、引腳功能、工作模式、接收與發送的工作流程，詳細描述了nRF2401的器件配置，給出了應用電路圖，分析了PCB設計時應該注意的問題，最后對全文進行了總結。關鍵詞：nRF2401；射頻；無線通信；收發芯片
1.引言
nRF2401是單片射頻收發芯片，工作于2.4～2.5GHzISM頻段，芯片內置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器等功能模塊，輸出功率和通信頻道可通過程序進行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率發射時，工作電流只有10.5mA，接收時工作電流只有18mA，多種低功率工作模式，節能設計更方便。其DuoCeiverTM技術使nRF2401可以使用同一天線，同時接收兩個不同頻道的數據。nRF2401適用于多種無線通信的場合，如無線數據傳輸系統、無線鼠標、遙控開鎖、遙控玩具等。
2.芯片結構、引腳說明
2.1芯片結構
nRF2401內置地址解碼器、先入先出堆棧區、解調處理器、時鐘處理器、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。
2.2引腳說明
表1：nRF2401引腳
3.工作模式
nRF2401有工作模式有四種：收發模式、配置模式、空閑模式和關機模式。nRF2401的工作模式由PWR_UP、CE、TX_EN和CS三個引腳決定，詳見表2。
表2：nRF2401工作模式
3.1收發模式
nRF2401的收發模式有ShockBurstTM收發模式和直接收發模式兩種，收發模式由器件配置字決定，具體配置將在器件配置部分詳細介紹。
3.1.1ShockBurstTM收發模式
ShockBurstTM收發模式下，使用片內的先入先出堆棧區，數據低速從微控制器送入，但高速(1Mbps)發射，這樣可以盡量節能，因此，使用低速的微控制器也能得到很高的射頻數據發射速率。與射頻協議相關的所有高速信號處理都在片內進行，這種做法有三大好處：盡量節能；低的系統費用(低速微處理器也能進行高速射頻發射)；數據在空中停留時間短，抗干擾性高。nRF2401的ShockBurstTM技術同時也減小了整個系統的平均工作電流。
在ShockBurstTM收發模式下，nRF2401自動處理字頭和CRC校驗碼。在接收數據時，自動把字頭和CRC校驗碼移去。在發送數據時，自動加上字頭和CRC校驗碼，當發送過程完成后，數據準備好引腳通知微處理器數據發射完畢。
3.1.1.1ShockBurstTM發射流程
接口引腳為CE，CLK1，DATA
A.當微控制器有數據要發送時，其把CE置高，使nRF2401工作；
B.把接收機的地址和要發送的數據按時序送入nRF2401；
C.微控制器把CE置低，激發nRF2401進行ShockBurstTM發射；
D.nRF2401的ShockBurstTM發射
²給射頻前端供電；
²射頻數據打包(加字頭、CRC校驗碼)；
²高速發射數據包；
²發射完成，nRF2401進入空閑狀態。
3.1.1.2ShockBurstTM接收流程
接口引腳CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1)
A.配置本機地址和要接收的數據包大小；
B.進入接收狀態，把CE置高；
C.200us后，nRF2401進入監視狀態，等待數據包的到來；
D.當接收到正確的數據包(正確的地址和CRC校驗碼)，nRF2401自動把字頭、地址和CRC校驗位移去；
E.nRF2401通過把DR1(這個引腳一般引起微控制器中斷)置高通知微控制器；
F.微控制器把數據從nRF2401移出；
G.所有數據移完，nRF2401把DR1置低，此時，如果CE為高，則等待下一個數據包，如果CE為低，開始其它工作流程。
3.1.2直接收發模式
在直接收發模式下，nRF2401如傳統的射頻收發器一樣工作。
3.1.2.1直接發送模式
接口引腳為CE、DATA
A.當微控制器有數據要發送時，把CE置高；
B.nRF2401射頻前端被激活；
C.所有的射頻協議必須在微控制器程序中進行處理(包括字頭、地址和CRC校驗碼)。
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引腳將根據天線接收到的信號開始高低變化(由于噪聲的存在)；
B.CLK1引腳也開始工作；
C.一旦接收到有效的字頭，CLK1引腳和DATA引腳將協調工作，把射頻數據包以其被發射時的數據從DATA引腳送給微控制器；
D.這頭必須是8位；
E.DR引腳
沒用上，所有的地址和CRC校驗必須在微控制器內部進行。
3.2配置模式
在配置模式，15字節的配置字被送到nRF2401，這通過CS、CLK1和DATA三個引腳完成，具體的配置方法請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計，其最大的優點是，實現節能的同時，縮短芯片的起動時間。在空閑模式下，部分片內晶振仍在工作，此時的工作電流跟外部晶振的頻率有關，如外部晶振為4MHz時工作電流為12uA，外部晶振為16MHz時工作電流為32uA。在空閑模式下，配置字的內容保持在nRF2401片內。
3.4關機模式
在關機模式下，為了得到最小的工作電流，一般此時的工作電流小于1uA。關機模式下，配置字的內容也會被保持在nRF2401片內，這是該模式與斷電狀態最大的區別。
4.器件配置
nRF2401的所有配置工作都是通過CS、CLK1和DATA三個引腳完成，把其配置為ShockBurstTM收發模式需要15字節的配置字，而如把其配置為直接收發模式只需要2字節的配置字。由上文對nRF2401工作模式的介紹，我們可以知道，nRF2401一般工作于ShockBurstTM收發模式，這樣，系統的程序編制會更加簡單，并且穩定性也會更高，因此，下文著重介紹把nRF2401配置為ShockBurstTM收發模式的器件配置方法。
ShockBurstTM的配置字使nRF2401能夠處理射頻協議，在配置完成后，在nRF2401工作的過程中，只需改變其最低一個字節中的內容，以實現接收模式和發送模式之間切換。ShockBurstTM的配置字可以分為以下四個部分：
數據寬度：聲明射頻數據包中數據占用的位數。這使得nRF2401能夠區分接收數據包中的數據和CRC校驗碼；
地址寬度：聲明射頻數據包中地址占用的位數。這使得nRF2401能夠區分地址和數據；
地址：接收數據的地址，有通道1的地址和通道2的地址；
CRC：使nRF2401能夠生成CRC校驗碼和解碼。
當使用nRF2401片內的CRC技術時，要確保在配置字中CRC校驗被使能，并且發送和接收使用相同的協議。nRF2401配置字的各個位的描述如表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。配置字從最高位開始，依次送入nRF2401。在CS引腳的下降沿，新送入的配置字開始工作。
5.應用電路
圖2為nRF2401的應用電路，由圖可知，其只需要14個外圍元件。nRF2401應用電路一般工作于3V，它可用多種低功耗微控制器進行控制。在設計過程中，設計者可使用單鞭天線或環形天線，上圖為50歐姆單鞭天線的應用電路。在使用不同的天線時，為了得到盡可能大的收發距離，電感電容的參數應適當調整。
6.PCB設計
PCB設計對nRF2401的整體性能影響很大，所以PCB設計在nRF2401收發系統的開發過程中主要的工作之一，在PCB設計時，必須考慮到各種電磁干擾，注意調整電阻、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，這些敷銅通過過孔與底層的地相連。直流電源及電源濾波電容盡量靠近VDD引腳。nRF2401的供電電源應通過電容隔開，這樣有利于給nRF2401提供穩定的電源。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.結束語
nRF2401通過ShockBurstTM收發模式進行無線數據發送，收發可靠，其外形尺寸小，需要的外圍元器件也少，因此，使用方便，在工業控制、消費電子等各個領域都具有廣闊的應用前景。
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