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新型高速无线射频器件nRF24L01及其应用
时志云, 盖建平, 王代华, 张志杰
(中北大学 动态测试与智能仪器教育部重点实验室,山西 太原030051)
摘要:nRF24L01是Nordic公司推出的一款新型高速无线收发器。介绍了nRF24L01的引脚功能及结构、工作模式、收发原理以及配置字,给出了典型应用电路。
关 键 词: nRF24L01; 无线收发; 应用电路
A new kind of high speed wireless RF transceiver—nRF24L01
and its application
SHI Zhi-yun, GAI Jian-ping, WANGDai-hua, ZHANGZhi-jie
(MinistryofEducation KeyLab ofDynamic Measurement&IntelligentInstrument,
North UniversityofChina, Taiyuan 030051, China)
Abstract:nRF24L01 isa newkind ofhigh speed wirelessdata transceiver which isproduced byNordic company.The pin structure,operation mode,transmission principle and configure words of nRF24L01 are introduced, and the application circuit isgiven.
Key words:nRF24L01;wirelesstransmission; application circuit
1 nRF24L01概述
nRF24L01 是一款新型单片射频收发器件, 工作于2.4 GHz～2.5 GHzISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型 ShockBurst 技术,其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01 功耗低, 在以-6 dBm的功率发射时,工作电流也只有9 mA;接收时,工作电流只有12.3 mA,多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。nRF24L01主要特性如下:
GFSK调制;
硬件集成OSI链路层;
具有自动应答和自动再发射功能;
片内自动生成报头和CRC校验码;
数据传输率为1 Mb/s或2 Mb/s;
SPI速率为0 Mb/s～10 Mb/s;
125个频道;
与其他nRF24系列射频器件相兼容;
QFN20引脚 4 mm×4 mm封装;
供电电压为1.9 V～3.6 V。
2 引脚功能及描述
nRF24L01的封装及引脚排列如图1所示。各引脚功能如下:
CE:使能发射或接收;
CSN,SCK,MOSI,MISO:SPI引脚端, 微处理器
可通过此引脚配置nRF24L01;
IRQ: 中断标志位;
VDD:电源输入端;
VSS:电源地;
XC2,XC1:晶体振荡器引脚;
VDD_PA: 为功率放大器供电,输出为1.8 V;
ANT1,ANT2:天线接口;
IREF:参考电流输入。
3 工作模式
通过配置寄存器可将 nRF24L01 配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式,如表1所示。
空闲模式1主要用于降低电流损耗,在该模式下晶体振荡器仍然是工作的;空闲模式 2则是在当发射堆栈为空且CE=1时发生(用在PTX设备);在空闲模式下,配置字仍然保留。在掉电模式下电流损耗最小, 同时 nRF24L01也不工作,但其所有配置寄存器的值仍然保留。
4 工作原理
发射数据时, 首先将nRF24L01配置为发射模式; 接着把地址TX_ADDR和数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区,TX_PLD必须在CSN为低时连续写入, 而TX_ADDR在发射时写入一次即可, 然后CE置为高电平并保持至少 10 μs,延迟130 μs后发射数据; 若自动应答开启, 那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式, 接收应答信号。如果收到应答, 则认为此次通信成功,TX_DS置高, 同时TX_PLD从发送堆栈中清除;若未收到应答, 则自动重新发射该数据(自动重发已开启),若重发次数(ARC_CNT)达到上限,MAX_RT置高,TX_PLD不会被清除; MAX_RT或 TX_DS置高时,使IRQ变低,以便通知MCU。最后发射成功时, 若 CE 为低则 nRF24L01 进入空闲模式 1;若发送堆栈中有数据且CE为高,则进入下一次发射;若发送堆栈中无数据且CE为高,则进入空闲模式2。接收数据时, 首先将nRF24L01配置为接收模式, 接着延迟 130 μs 进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时,就将数据包存储在接收堆栈中, 同时中断标志位 RX_DR
置高,IRQ变低, 以便通知MCU去取数据。若此时自动应答开启,接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时,若CE变低,则nRF24L01进入空闲模式1。
5 配置字
SPI口为同步串行通信接口, 最大传输速率为10 Mb/s,传输时先传送低位字节,再传送高位字节。但针对单个字节而言,要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有 8 个, 使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入,相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。
nRF24L01 所有的配置字都由配置寄存器定义,这些配置寄存器可通过 SPI口访问。nRF24L01的配置寄存器共有 25个, 常用的配置寄存器如表2所示。
6 应用电路设计
笔者用单片机和 nRF24L01设计了一个无线数据传输电路,并通过串口将数据传输至计算机。硬件电路设计如图2所示。
图 2 无线数据传输电路
图 2 中发射和接收电路相同。使用时需在接收端加一个RS232 接口,使其与计算机串口连接,将接收到的数据传送至计算机。该电路的工作原理:首先使接收电路上电,接着便处于接收状态等待数据的到来;然后运行VB程序,点击接收按钮;最后发射电路上电,并将单片机RAM内预先存放的数据“20H”发射出去, 在 1 ms 内接收电路收到数据,同时VB界面显示出接收到的数据。该电路实现了PC机与单片机系统之间的无线通信。系统软件控制流程如图3所示。
7 结束语
详细介绍了nRF24L01的引脚结构、工作模式、收发原理以及配置字, 并以nRF24L01为核心设计了无线数据传输电路, 结合 RS232 接口, 实现了计算机与单片机系统之间的无线通信,为以后传输大量数据奠定了基础。另外,还应该考虑到速率和误码等其他因素。
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[3]张克满,史仪凯.基于DSP和nRF2401芯片的数字无线视频采集系统设计[J]. 微电子学与计算机,
2005,22(3):93-95.
作者简介:时志云(1981-),男,河北威县人,中北大
学测试计量技术及仪器专业,硕士研究生。主要从事动态测试技术与智能仪器研究及通信技术应用研究。
本文摘自《国外电子元器件》
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