系统级RF芯片nRF24E1收发原理与应用编程

引言

nRF24E1收发器是Nordic VLSI推出的系统级射频芯片，采用先进的0.18μm CMOS工艺、6mm×6mm的36引脚QFN封装，以nRF240 RF芯片结构为基础，将射频率、8051MCU、9输入10位ADC、125通道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到单芯片中，是目前世界首次推出的、全球2.4GHz通用的、完事的低成本射频系统级芯片。

由于nRF24E1片内集成了RADIO模块，在使用中，只需要一片nRF24E1和少数的外围元件就能完成射频收发功能，因此，大大减少了系统的体积。使用nRF24E1时，必须进行相应的配置工作。下面，详细讲述nRF24E1的收发原理和编程方法，以供读者设计时参考。有关nRF24E1的介绍请见2004年第6期。

1 RADIO口

nRF24E1收发器的收发任务由RADIO口控制。RADIO口使用标准8051中的P2口地址。由于射频收发器是片内置的，并不是双向工作。为了满足射频收发子系统的需要，RADIO口的默认值与标准8051的P2默认值也不一样。

收发器由特殊功能豁口中的RADIO（0A0H）和SPI_CTRL(0B3H)控制。SPI_CTRL=00B时，SPI没用；SPI_CTRL=01B时，SPI连接到P1口；SPI_CTRL=10B时，SPI连到第一个nRF2401频道；SPI_CTRL=11B时，SPI连接到第二个nRF2401频道。RADIO豁口的各个位如图1所示。在nRF24E1头文件中，所定义的各个位的名字与图1中一样。

（1）用SPI口控制收发器

用芯片内嵌的SPI口控制收发器的操作非常方便。如RF配置和ShockBurst RX（接收）或TX（发送）。

（2）复位时RADIO口的状态

复位引脚为高电平时（无论是时钟是否有效），控制nRF2401收发子系统的RADIO输出位默认为RADIO.3（CS）=0，RADIO.6（CE）=0，RADIO.7(PWR_UP)=1。程序运行后，保持默认值，直到程序通过RADIO寄存器改变各位的值。

2 收发方式

通过PWR_UP、CE和CS三个控制引脚，可以设置nRF2401的工作方式。PWR_UP=1，CE=1，CS=0为收发方式；PWR_UP=1，CE=0，CS=1为配置方式；PWR_UP=1，CE=0，CS=0为空闲方式；PWPWR_UP=0时关机。

2.1 ShockBurst

nRF24E1的nRF2401收发子系统的收发方式只有ShockBurst。ShockBurst的功能由配置字决定。ShockBurst技术使用了片内的FIFO（先入先出）堆栈。虽然数据低速进入，但能高速发送，使能耗减到最低限度。

（1）ShockBurst发送

CPU接口引脚为CE、CLK1、DATA，工作流程如下：

①CPU有数据要发送时，把CE置高，nRF2401开始工作。

②接收节点地址和有效数据按时序被送到nRF2401子系统，可通过应用协议或CPU设置，使这个速度小于1Mbps(如10kbps)。

③CPU把CE置低，激活ShockBurst发送。

④ShockBurst。

*给RF前端供电；

*完成RF包处理（加前缀，CRC校验）；

*数据高速发送（250kbps或1Mbps，可由用户配置决定）；

*发送完成，nRF2401返回空闲信号。

（2）ShockBurst接收

CPU的接口引脚为CE、DR1、CLK1、DATA，工作流程如下：

①校验接收到的RF包的地址和欲接收的RF包中有效数据的长度。

②把CE置高，激活RX。

③经过200μs处理，nRF2401子系统监视启动并等待信号的到来。

④当收到一个有效的数据包（正确的地址和CRC），nRF2401子系统移去前缀、地址和CRC位。

⑤nRF2401子系统通过把DR1置高来通知CPU。

⑥CPU把CE置低，把RF前端设为低功耗方式。

⑦CPU将按时序以适当的速度（如10kbps）把有效数据取出。

⑧当所有的有效数据都送完，nRF2401子系统再次把DR1置低。如果CE保持为高，准备接收下一个数据包；CE为低，重新开始新的接收。

2.2 DuoCeiver

ShockBurst收发方式使nRF24E1能够方便地同时接收两个不同频率的频道发送的数据，并且能够使接收速度达到最大值。这意味着：

*nRF24E1通过一个天线，能够接收两个频率相差8MHz（8个频率通道）的1Mbps发射器（如nRF24E1、nRF2401或nRF2402）发送的数据。

*这两个不同数据频道的数据被分别送到两套不同的接口——数据频道1为CLK1、DATA和DR1，数据频道2为CLK2、DOUT2和DR2。

DuoCeiver技术提供了两个独立、专用于接收的数据频道，而不是采用两个相互独立的接收器。使用第二个数据频道必须满足要求：第二数据频道的工作频率至少比第一个频道的工作频率高8MHz。使用ShockBurst技术，CPU先取出其中一个数据频道中的数据，另一数据频道中的数据等待CPU处理完。这样不至于丢失数据；同时，也降低了对CPU性能的要求。

3 器件配置

在配置方式下，配置字最高可达18字节。nRF2401子系统的配置字通过一个简单的三线接口（CS、CLK1和DATA）送给配置寄存器。

3.1 ShockBurst的配置

ShockBurst方式配置字的作用是使nRF2401子系统能够处理RF协议。在实际操作中，一旦完成协议并装入了nRF2401子系统，只有1字节（bit[7:0]）的配置字需要更新。用于ShockBurst的配置字分为如下四块（详见表2）：

*有效数据宽度（DATA2_W和DATA1_W），指明RF包中有效数据的位数，这使nRF2401子系统能够区分接收到数据包中的有效数据和CRC字节；

*地址宽度（ADDR2和ADDR1），设置RF数据包中地址字节所占用的位数，最高为40位，这使nRF2401字节系统能够区分地址和有效数据；

*接收频道地址（ADDR_W），即接收数据的目标地址；

*CRC配置（CRC_L和CRC_EN），CRC_L用于设置CRC为8位或16位校验，CRC_L=0为8位，CRC_L=1为16位，CRC_EN使能片内的CRC。

在发送方式，CPU必须产生与接收数据的nRF2401子系统配置相同的地址和有效数据块。当使用nRF240子系统片内的CRC特性时，注意CRC是否已经使能，并且注意在发送器和接收器上使用相同的长度。

3.2 配置字描述

配置字的读取在CLK1的正边沿时，从MSB（最高位）开始。新的配置从CS的下降沿开始。假如nRF2401子系统需要配置为ShockBurst方式，两个接收频道，则在VDD（芯片电源）上电后，只需120位的配置字。在协议、工作方式和接收频道都配置好后，只需要1位（RXEN）来切换是接收或发射。在配置字被读取的过程中，MSB（最高位）最先被读到寄存器中。默认配置字为：h8E08.1C20.2000.0000.00E7.0000.E721.0F04,共18字节，可根据需要进行取舍。

ShockBurst数据包的总位数最多不能超过256位，可通过式（1）计算有效数据的最大位数。

DATAx_W(bits)=256-ADDR_W-CRC (1)

其中：ADDR_W为配置字中B[32:18]所设置的接收地址的长度，8位～40位；CRC为配置字B[17]所设置的校验字，8位或16位。4位或8位前缀是自动加进去的，不占用数据包的位数。由式（1）可知，要想在每个数据包中得到更长的有效数据，可减少地址和CRC校验位。

3.3 收发常用的配置

在两个接收频道的方式下，nRF24E1同时接收来自两个不同频率频道的数据。第一个频道的频率在配置字B[7-1]中设置，第二个频道通常比第一个频道的频率高8MHz。RX2_EN(B[15])为第二个频道的使能位：RX2_EN=0时，第二个频道不工作；RX2_EN=1时，第二个频道使能。RFDR_SB为收发速率设置位：RFDR_SB(B[13])=0时，收发速率为250kbps；RFDR_SB=1时，收发速率为1Mbps。16MHz晶振时，250kbps的收发灵敏度比1Mbps的高10dB。XO_F(B[12-10])为晶振选择位。RF_PWR(B[9-8])设置nRF24E1射频输出功率。

RF_CH#(B[7-1])设置nRF24E1的工作频率，可通过式（2）计算发射频率和频道1的接收频率，通过式（3）计算频道2的接收频率。RXEN为收发切换位。

ChannelRF=2400MHz+RF_CH#×1.0MHz (2)

ChannelRF=2400MHz+RF_CH#×1.0MHz+8MHz (3)

4 数据包描述

完整的射频数据包由四部分组成：前缀、地址、有效数据和CRC。前缀一般是8位，也要吧设置为4位，由地址的首位决定。如果地址的首位是0，前缀为01010101；如果地址的首位是1，前缀为10101010。ShockBurst方式，前缀、地址和CRC都是在接收器收到数据包后自动移去只留有效数据。

5 应用中的程序

下面所述的程序都是在Keil C51 V7.07下调试通过的。限于篇幅，只分析其中的主要函数代码。

（1）系统初始化函数

void Init(void){

//配置I/O口

P0_ALT=0x06;//P0_ALT=00000110B,P0.1为RXD，P0.2为TXD

P0_DIR=0x09;//P0_DIR=00001001B，P0.0和P0.3设为输入

P1_DIR=0x03;//P1_DIR=00000011B,P1.0和P1.1设为输入

…………//其它I/O口配置

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与第一收发通道（CH1）相连

…………//串口配置、A/D配置等，或自己系统相关的一些配置

}

（2）接收器配置函数

void Init_Receiver(void){

unsigned char b;

CS=1;//打开配置方式

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

void Receiver(void){

unsigned char b;

CS=1; //打开配置方式

for(b=0;b

SpiReadWrite(rconf.buf[b]); //发送接收器配置字

}

CS=0； //关配置方式

for(;;){

b=ReceivePacket(); //接收数据包

…………//接收后的处理函数等，可自己扩展

}

}

（4）发送函数

void Transmitter(void){

unsigned char b;

CS=1; //开配置方式

for(b=0;b

SpiReadWrite(tconf.buf[b]);//发送发送器配置字

}

CS=0； //关配置方式

b=KeyByte; //读取数据

TransmitPacket(b); //发送数据

}

（5）其它

nRF24E1程序除了主要的初始化配置函数、接收器配置函数、接收函数和发送函数外，还有接收包处理函数、发送包处理函数、接收器配置字和发射器配置字等。Keil C51 V7.01及其以且的版本都支持nRF24E1，因此，编程非常方便。由于nRF24E1只有512字节的ROM，所以，在使用过程中，要扩展片外存储器（Nordic公司推荐使用25320）。应用中，当VDD上电后，芯片通过SPI接口自动从片外存储器读取数据到片内4KB和RAM中以便程序运行时使用。