基於(yú)RF芯片nRF401的無線數傳(chuán)模塊設計
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發布日期：2008-10-21 08:28:58
文章标簽：基於(yú)RF芯片nRF401的無線數傳(chuán)模塊設計
摘要
基於(yú)RF芯片nRF401的無線數傳(chuán)模塊設計
所設計的無線數傳模塊由單片射頻收發芯片NRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片構成，工作在433.92／434.33MHz頻段；可方便地嵌入在各種測量和控制系統中進行無線數據傳輸，在車輛監控、無線抄表、無線232數據通信、計算機遙控遙測系統中應用 。
NRF401是北歐集成電路公司（NORDIC）的産品，是一個爲433MHz ISM頻段設計的真正單片UHF無線收發芯片，滿足歐洲電信工業标準（ETSI）EN300 200-1 V1.2.1。它採用FSK調制解調技術，高工作速率可以達到20K，發射功率可以調整，大發射功率是+10dBm。NRF401的天線接口設計爲差分天線 ，以便於使用低成本的PCB天線 。它要求非常少的外圍元件（約10個），無需聲表濾波器、變容管等昂貴的元件，隻需要便宜且易於獲得的4MHz晶體 ，收發天線合一。無需進行初始化和配置，不需要對數據進行曼徹斯特編碼，有兩個工作頻寬（433.92/434.33MHz）,工作電壓範圍可以從2.7-5V，還具有待機模式，可以更省電和高效。
NRF401無線收發芯片的結構框圖如圖1所示：内部結構可分爲發射電路 、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾部分。發射電路包含有 ：射頻功率放大器、鎖相環（PLL），壓控振蕩器（VCO），頻率合成器等電路 。基準振蕩器採用外接晶體振蕩器，産生電路所需的基準頻率。
其主要特性如下:
工作頻率爲國際通用的數傳頻段
FSK調制，抗幹擾能力強 ，特别适合工業控制場合；
採用PLL頻率合成技術 ，頻率穩定性極好；
靈敏度高，達到-105dBm（NRF401）；
功耗小 ，接收狀态250 A，待機狀态僅爲8 A（NRF401）；
大發射功率達 +10dBm ；
低工作電壓（2.7V），可滿足低功耗設備的要求；
具有多個頻道 ，可方便地切換工作頻率 ；
工作速率高可達20Kbit/s（RF401）；
僅外接一個晶體和幾個阻容、電感元件，基本無需調試；
因採用瞭低發射功率、高接收靈敏度的設計 ，使用無需申請許可證，開闊地的使用距離遠可達1000米 (與具體使用環境及元件參數有關)。
引腳排列和功能
NRF401無線收發芯片具有20個引腳。
重要時序參數
TX與RX之間的切換
當從RX切換到TX模式時,數據輸入腳(DIN)必須保持爲高至少1ms才能收發數據。當從TX切換到RX時，數據輸出腳（DOUT）要至少3ms以後有數據輸出。
Standby與RX之間的切換
從待機模式到接收模式，當PWR_UP輸入設成1時，經過tSR時間後,DOUT腳輸出數據才有效。對 NRF401來說，tST長的時間是3ms。
從待機模式到發射模式，所需穩定的大時間是tST。
Power Up與TX間的切換
從加電到發射模式過程中 ，爲瞭避免開機時産生幹擾和輻射 ，在上電過程中TXEN的輸入腳必須保持爲低，以便於頻率合成器進入穩定工作狀态。當由上電進入發射模式時，TXEN必須保持1ms以後才可以往DIN發送數據。
從上電到接收模式過程中，芯片将不會接收數據 ，DOUT也不會有數據輸出，直到電壓穩定達到2.7V以上，並且至少保持5ms。如果採用外部振蕩器，這個時間可以縮短到3ms。
應用電路及設計應注意問題
在實際應用中 ，微控制器採用Atmel公司的AT89C52，分别用單片機的P1口各管腳控制NRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個腳即可 。
接口芯片採用美信公司的RS232轉換芯片MAX3316，完成單片機和計算機RS232接口的電平轉換及數據發送、接收、請求、清除功能。關於此芯片的使用可參見其手冊。
在NRF401芯片使用時 ，設定好工作頻率，進入正常工作狀态後 ，通過單片機根據需要進行收發轉換控制，發送／接收數據或進行狀态轉換。在實際的設計應用中 ，需要注意以下幾個問題：
1）天線的接入
ANT1和ANT2是接收時LNA的輸入，以及發送時功率放大器的輸出。連接NRF401的天線是以差分方式連接到NRF401的 。在天線端推薦的負載阻抗是400歐姆，射頻功率放大器輸出是兩個開路輸出三極管 ，配制成差分配對方式，功率放大器的VDD必須通過集電極負載，當採用差分環形天線時，VDD必須通過環形天線的中心輸入。
2）與單片機共用一個晶振
NRF401可以與單片機共用一個晶振，需要注意從單片機引入的晶體走線不能離數據線或者控制線太近。
PCB布局和去耦設計 印刷電路闆（PCB）的設計直接關系到射頻性能 ，爲瞭獲得較好的RF性能，PCB設計至少需要兩層闆來實現 ，PCB分成射頻電路和控制電路兩部分布置。NRF401採用PCB天線，在天線的下面沒有接地面。射頻部分的電源與數字電路部分的電源分離 。
爲瞭減少分布參數的影響 ，在PCB應該避免長的電源走線，所有元件地線 ，VDD連接線，VDD去耦電容必須離NRF401盡可能的近。NRF401的電源必須經過很好的濾波,並且與數字電路供電分離，在離電源腳VDD盡可能近的地方用高性能的電容去耦 ，好是一個小電容和一個大電容相並聯。pcb闆頂層和底層好敷銅接地，把這兩層的敷銅用較多的過孔緊密相連,再将VSS腳連接到敷銅面。所有開關信号和控制信号都不能經過PLL環路濾波器元件和VCO電感附近。
對NRF401的PCB布局來說 ，VCO電感的位置是非常重要的。NRF401VCO電感位置的佳設計是保證産生1.1 0.2V的PLL環路濾波器電壓，這個電壓可以從FILT1（pin4）測得。
通信協議的設計
NRF401在很多時候用在便攜及移動式設備，在這種應用中需要盡可能長時間的工作，考慮到電池的能耗，往往需要考慮節能和低功耗設計的問題。爲瞭節能，NRF401平時大多數情況下應處於關閉狀态，由於無線部分硬件上是不具備自動喚醒功能的，爲瞭達到節能的目的，必須通過軟件方式採用合理的通信協議以保證節能同時不丢失數據。
1）首先每次發送應該有一個前置碼，通常可採用101010101010……，持續一個給定的周期（比如1秒），這個前置碼是節能的基礎。
2）接收端平時可以開啓接收幾個毫秒，如果沒有收到規定的前置101010101010……，然後關閉約1秒，通過檢測前置碼而獲得同步。開關的時間比也就是工作的占空比，增加前置碼的周期可以減少工作的時間，從而減少平均工作電流；需要注意的是增加前置碼的長度雖然可以降低功耗，但是會降低系統的響應速度，需要根據系統的要求進行確定。
軟件設計
在設計程序時，要注意各狀态轉換的時延。NRF401的通訊速率高爲20kbit/s，發送數據之前需将電路置於發射模式；接收模式轉換爲發射模式的轉換時間至少爲1ms；可以發送任意長度的數據；發射模式轉換爲接收模式的轉換時間至少爲3ms。在待機模式時，電路進入待機狀态，電路不接收和發射數據。待機模式轉換爲發射模式的轉換時間至少爲4ms；待機模式轉換爲接收模式的轉換時間至少爲5.0ms。
NRF401是北歐集成電路公司（NORDIC）的産品，是一個爲433MHz ISM頻段設計的真正單片UHF無線收發芯片，滿足歐洲電信工業标準（ETSI）EN300 200-1 V1.2.1。它採用FSK調制解調技術，高工作速率可以達到20K，發射功率可以調整，大發射功率是+10dBm。NRF401的天線接口設計爲差分天線 ，以便於使用低成本的PCB天線 。它要求非常少的外圍元件（約10個），無需聲表濾波器、變容管等昂貴的元件，隻需要便宜且易於獲得的4MHz晶體 ，收發天線合一。無需進行初始化和配置，不需要對數據進行曼徹斯特編碼，有兩個工作頻寬（433.92/434.33MHz）,工作電壓範圍可以從2.7-5V，還具有待機模式，可以更省電和高效。
NRF401無線收發芯片的結構框圖如圖1所示：内部結構可分爲發射電路 、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾部分。發射電路包含有 ：射頻功率放大器、鎖相環（PLL），壓控振蕩器（VCO），頻率合成器等電路 。基準振蕩器採用外接晶體振蕩器，産生電路所需的基準頻率。
其主要特性如下:
工作頻率爲國際通用的數傳頻段
FSK調制，抗幹擾能力強 ，特别适合工業控制場合；
採用PLL頻率合成技術 ，頻率穩定性極好；
靈敏度高，達到-105dBm（NRF401）；
功耗小 ，接收狀态250 A，待機狀态僅爲8 A（NRF401）；
大發射功率達 +10dBm ；
低工作電壓（2.7V），可滿足低功耗設備的要求；
具有多個頻道 ，可方便地切換工作頻率 ；
工作速率高可達20Kbit/s（RF401）；
僅外接一個晶體和幾個阻容、電感元件，基本無需調試；
因採用瞭低發射功率、高接收靈敏度的設計 ，使用無需申請許可證，開闊地的使用距離遠可達1000米 (與具體使用環境及元件參數有關)。
引腳排列和功能
NRF401無線收發芯片具有20個引腳。
重要時序參數
TX與RX之間的切換
當從RX切換到TX模式時,數據輸入腳(DIN)必須保持爲高至少1ms才能收發數據。當從TX切換到RX時，數據輸出腳（DOUT）要至少3ms以後有數據輸出。
Standby與RX之間的切換
從待機模式到接收模式，當PWR_UP輸入設成1時，經過tSR時間後,DOUT腳輸出數據才有效。對 NRF401來說，tST長的時間是3ms。
從待機模式到發射模式，所需穩定的大時間是tST。
Power Up與TX間的切換
從加電到發射模式過程中 ，爲瞭避免開機時産生幹擾和輻射 ，在上電過程中TXEN的輸入腳必須保持爲低，以便於頻率合成器進入穩定工作狀态。當由上電進入發射模式時，TXEN必須保持1ms以後才可以往DIN發送數據。
從上電到接收模式過程中，芯片将不會接收數據 ，DOUT也不會有數據輸出，直到電壓穩定達到2.7V以上，並且至少保持5ms。如果採用外部振蕩器，這個時間可以縮短到3ms。
應用電路及設計應注意問題
在實際應用中 ，微控制器採用Atmel公司的AT89C52，分别用單片機的P1口各管腳控制NRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個腳即可 。
接口芯片採用美信公司的RS232轉換芯片MAX3316，完成單片機和計算機RS232接口的電平轉換及數據發送、接收、請求、清除功能。關於此芯片的使用可參見其手冊。
在NRF401芯片使用時 ，設定好工作頻率，進入正常工作狀态後 ，通過單片機根據需要進行收發轉換控制，發送／接收數據或進行狀态轉換。在實際的設計應用中 ，需要注意以下幾個問題：
1）天線的接入
ANT1和ANT2是接收時LNA的輸入，以及發送時功率放大器的輸出。連接NRF401的天線是以差分方式連接到NRF401的 。在天線端推薦的負載阻抗是400歐姆，射頻功率放大器輸出是兩個開路輸出三極管 ，配制成差分配對方式，功率放大器的VDD必須通過集電極負載，當採用差分環形天線時，VDD必須通過環形天線的中心輸入。
2）與單片機共用一個晶振
NRF401可以與單片機共用一個晶振，需要注意從單片機引入的晶體走線不能離數據線或者控制線太近。
PCB布局和去耦設計 印刷電路闆（PCB）的設計直接關系到射頻性能 ，爲瞭獲得較好的RF性能，PCB設計至少需要兩層闆來實現 ，PCB分成射頻電路和控制電路兩部分布置。NRF401採用PCB天線，在天線的下面沒有接地面。射頻部分的電源與數字電路部分的電源分離 。
爲瞭減少分布參數的影響 ，在PCB應該避免長的電源走線，所有元件地線 ，VDD連接線，VDD去耦電容必須離NRF401盡可能的近。NRF401的電源必須經過很好的濾波,並且與數字電路供電分離，在離電源腳VDD盡可能近的地方用高性能的電容去耦 ，好是一個小電容和一個大電容相並聯。pcb闆頂層和底層好敷銅接地，把這兩層的敷銅用較多的過孔緊密相連,再将VSS腳連接到敷銅面。所有開關信号和控制信号都不能經過PLL環路濾波器元件和VCO電感附近。
對NRF401的PCB布局來說 ，VCO電感的位置是非常重要的。NRF401VCO電感位置的佳設計是保證産生1.1 0.2V的PLL環路濾波器電壓，這個電壓可以從FILT1（pin4）測得。
通信協議的設計
NRF401在很多時候用在便攜及移動式設備，在這種應用中需要盡可能長時間的工作，考慮到電池的能耗，往往需要考慮節能和低功耗設計的問題。爲瞭節能，NRF401平時大多數情況下應處於關閉狀态，由於無線部分硬件上是不具備自動喚醒功能的，爲瞭達到節能的目的，必須通過軟件方式採用合理的通信協議以保證節能同時不丢失數據。
1）首先每次發送應該有一個前置碼，通常可採用101010101010……，持續一個給定的周期（比如1秒），這個前置碼是節能的基礎。
2）接收端平時可以開啓接收幾個毫秒，如果沒有收到規定的前置101010101010……，然後關閉約1秒，通過檢測前置碼而獲得同步。開關的時間比也就是工作的占空比，增加前置碼的周期可以減少工作的時間，從而減少平均工作電流；需要注意的是增加前置碼的長度雖然可以降低功耗，但是會降低系統的響應速度，需要根據系統的要求進行確定。
軟件設計
在設計程序時，要注意各狀态轉換的時延。NRF401的通訊速率高爲20kbit/s，發送數據之前需将電路置於發射模式；接收模式轉換爲發射模式的轉換時間至少爲1ms；可以發送任意長度的數據；發射模式轉換爲接收模式的轉換時間至少爲3ms。在待機模式時，電路進入待機狀态，電路不接收和發射數據。待機模式轉換爲發射模式的轉換時間至少爲4ms；待機模式轉換爲接收模式的轉換時間至少爲5.0ms。
