基于nRF24E1无线传输的设计与应用

引言

随着科技的进步，越来越多的无线技术正快速应用到各种产品中。nRF24E1是挪威Nordic公司推出的一款单片2.4GHz无线收发芯片，采用0.18mCMOS技术制造，以增强型51为内核，9路10bitADC，采样率可达100K，具有125个频道，传输速率可达1Mbps，内置CRC校验并支持多点通信。1.9~3.6V低功耗工作，内置电压监视和复位电路，多种省电模式可供选择，待机电流仅为2A。nRF24E1可广泛应用于无线水表、煤气、电表；无线智能传感器；无线数据采集装置；无线身份识别智能卡；无线火警探头；无线耳机、麦克风；无线鼠标、无线键盘；PDA手持终端等短距离无线通信场所。

概述

nRF24E1功能介绍

nRF24E1结构框图如图1所示。

微处理器

nRF24E1微处理器的指令系统与工业标准的8051相兼容，但两者的执行时序稍有不同。通常，nRF24E1片内微控制器、的指令周期为4到20个指令周期，而工业标准的8051为12～48个时钟周期。nRF24E1的中断控制器支持ADC、SPI、RF接收器1、RF接收器2、唤醒定时器、5个中断源。nRF24E1拥有3个与8052一样的定时器。在传统的异步通信方式下，与8051兼容的UART可用作定时器1和定时器2的波特率发生器。nRF24E1的CPU集成了2个数据指针，以便于和外部RAM进行数据传递。晶振直接为nRF24E1的微控制器提供了时钟来源。

nRF24E1的微控制器中有256字节的数据RAM和512字节的ROM。上电复位或经软件初始化后，处理器自动加载ROM引导区中的代码。用户程序通常是在引导区的引导下，从外部串口EEPROM加载到1个4KB的RAM中，这个4KB的RAM也可作存储数据用。如果不使用掩膜ROM（即内含的ROM），程序代码必须从外部非易失性存储器中加载。这时，默认的启动引导区使用SPI接口的“通用25320”EEPROM。为了控制标准8051没有的功能，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也和标准8051有所不同，其它大部分的SFRs均与标准8051相同。

PWM

nRF24E1有一个可编程PWM输出，它和DIO9共同复用P0.7引脚，并可软件编程决定PWM工作于6、7或8位。

SPI（串行外设接口）

SPI的3个口(SDI、SCK和SDO)与GPIO（DIN0、DIO0和DIO1）共同复用P1口的三个引脚（P1.0、P1.1、P1.2）。SPI硬件不产生任何片选信号，通常用GPIO位（P0口）来作为外部SPI设备的片选口。

端口逻辑

nRF24E1有1个输入，10个输出引脚。P0（DIO2~DIO9）和P1（DIO0、DIO1、DIN0）默认配置为GPIO（通用输入输出端口）。多数GPIO在程序控制下可复用，这些复用功能包括两个外部中断，UARTRXD和TXD，一个SPI主机端口，三个定时器和PWM输出。

RTC唤醒定时器、WTD（看门狗）和RC振荡器

nRF24E1内有一个低功耗的RC振荡器。该振荡器在VDD≥1.8V时，会持续工作。RTC唤醒定时器和WTD（看门狗）是2个16位的可编程定时器，它们的工作时钟为RC振荡器的LP_OSC。唤醒定时器和看门狗的定时时间约为300s～80ms，其默认值为10ms。唤醒定时器由用户软件控制启动和停止。看门狗在复位后被禁止，再次复位后才能被激活。

A/D转换器

nRF24E1内有9通道10位ADC，线性转换时间为每10位48个CPU指令周期。A/D转换器可在ARFE输入和内部1.22V的带隙参考之间进行软件选择。转换器的9个输入可由软件进行选择。通道0～7可以转换对应引脚AIN0～AIN7上的电压值，通道8用于对nRF24E1工作电压的监控。A/D转换器默认配置为10位，为满足需要，可通过软件使其工作于6位、8位或12位方式。

无线收发器

nRF24E1收发器通过内部并行口或内部SPI口与其他模块进行通信，同单片射频收发器nRF2401具有相同的功能。DuoCeiver接收器输出的数据准备信号，可通过程序使其作为微处理器的中断或通过GPIO口传给CPU。nRF24E1工作于全球开放的2.4～2.5GHz频段。收发器由1个完整的频率合成器、1个功率放大器、1个调节器和2个接收器组成。输出功率、频道和其它射频参数可通过对RADIO寄存器（SFR0xA0）编程进行控制。发射模式下，射频电流消耗仅为10.5mA，接收模式下为18mA。为了节能，可通过软件程序控制收发器的开/关。

硬件设计

nRF24E1收发核心电路如图2所示。

由于本设计要求PCB板越小越好而且成品要密封，所以如何供电成了这次设计的难点。若使用电池则有持续时间短、占用面积大和易震动脱落等缺点。nRF24E1电源电压是1.9~3.6V，且功耗很低。MAX2323及串口EEPROM25AA320均可工作在3.0V，因此在该设计中摒弃了由电池供电的做法，而采用了从串口取电源作为整个电路的供电系统。其串口取电源电路如图3所示。

软件设计

nRF24E1具有增强型8051内核，KeilC51支持nRF24E1开发，因此利用C51开发经验即可编出高效优质的代码。此程序是经KeilC51V7.05编译并调试通过，篇幅有限，仅列出主要功能函数。

(1)初始化程序如下：

voidInit(void){

//配置I/O口

P0_ALT=0x06;//P0.1为RXD，P0.2为TXD

P0_DIR=0x09;//P0.0和P0.3设为输入

P1_DIR=0x03;//P1.0和P1.1设为输入

PWR_UP=1;//开Radio，读时不用，写时为电源

SPICLK=0;//SPI时钟为XTAL/8

SPI_CTRL=0x02;//把SPI与收发通道1（CH1）相连

//串口通讯初始化

TH1=0x0F3;//晶振为16MHz，波特率为19200(当T1M=1且SMOD=1时)

CKCON|=0x10;//T1M=1(计数器时钟为CPU时钟的1/4)

PCON=0x80;//SMOD=1(双倍波特率)

SCON=0x52;//采用串口模式1，使能接收器

TMOD=0x20;//使用计数器1，8位计数值自动重载

TCON=0x40;//启动计数器

}

(2)接收器配置函数

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voidInit_Receiver(void){

unsignedcharb;

CS=1;//打开配置方式

Delay100us(0);

for(b=0;b

{

SpiReadWrite(rconf.buf[b]);//发送接收器配置字

}

CS=0;//关配置方式

CE=1;//使能收发功能

}(3)接收函数

voidReceiver(void){

unsignedcharb;

CS=1;//打开配置模式

Delay100us(0);

for(b=0;b

SpiReadWrite(rconf.buf[b]);//发送接收器配置字

}

CS=0;//关配置模式

for(;;){

b=ReceivePacket();//接收数据包

PutChar(b);//串口通信函数，将接收到的数据通过串口传送

}

}

（4）发送函数

voidTransmitter(void){

unsignedcharb;

CS=1;

Delay100us(0);

for(b=0;b

SpiReadWrite(tconf.buf[b]);//发送发送器配置字

}

CS=0;

for(;;){

b=ReadADC();//读A/D转换结果

PutChar(b);

TransmitPacket(b);//发送数据包

}

}

此程序除了以上函数外，还有串口通讯函数、读A/D转换结果函数、接收包处理函数和发送包处理函数等。

结论

本设计电路简单，易于实现。经实际调试应用完全可用于点对点及点对多点的无线数据传输，收到了良好的效果。1Mbps完全满足一般无线传输的要求。若进行批量生产时可将程序写进nRF24E1的内部RAM中，从而省去了外部串口EEPROM，节约了成本。