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單片射頻收發器nRF905及其應用
摘要: 本文首先介紹了單片射頻收發器nRF905的芯片結構、引腳功能、工作模式以及射頻接收和發送的工作流程;然后分析了nRF905片內SPI接口的配置、射頻通信相關寄存器的配置;最后給出了典型的應用電路圖。
Abstract:
Key words :

摘 要:本文首先介紹了單片射頻收發器nRF905的芯片結構、引腳功能、工作模式以及射頻接收和發送的工作流程;然后分析了nRF905片內SPI接口的配置、射頻通信相關寄存器的配置;最后給出了典型的應用電路圖。

關鍵詞:無線通信;射頻;收發器;nRF905

1. 引言

nRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的單片射頻收發器,工作電壓為1.9~3.6V,32引腳QFN封裝(5×5mm),工作于433/868/915MHz三個ISM(工業、科學和醫學)頻道,頻道之間的轉換時間小于650us。nRF905由頻率合成器、接收解調器、功率放大器、晶體振蕩器和調制器組成,不需外加聲表濾波器, ShockBurstTM工作模式,自動處理字頭和CRC(循環冗余碼校驗),使用SPI接口與微控制器通信,配置非常方便。此外,其功耗非常低,以-10dBm的輸出功率發射時電流只有11mA,工作于接收模式時的電流為12.5mA,內建空閑模式與關機模式,易于實現節能。nRF905適用于無線數據通信、無線報警及安全系統、無線開鎖、無線監測、家庭自動化和玩具等諸多領域。

2. 芯片結構、引腳介紹及工作模式

2.1芯片結構[1]

nRF905片內集成了電源管理、晶體振蕩器、低噪聲放大器、頻率合成器功率放大器等模塊,曼徹斯特編碼/解碼由片內硬件完成,無需用戶對數據進行曼徹斯特編碼,因此使用非常方便。

2.2引腳介紹

表1:nRF905引腳

2.3工作模式

nRF905有兩種工作模式和兩種節能模式。兩種工作模式分別是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM發送模式,兩種節能模式分別是關機模式和空閑模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三個引腳決定,詳見表2。

2.3.1ShockBurstTM模式

與射頻數據包有關的高速信號處理都在nRF905片內進行,數據速率由微控制器配置的SPI接口決定,數據在微控制器中低速處理,但在nRF905中高速發送,因此中間有很長時間的空閑,這很有利于節能。由于nRF905工作于ShockBurstTM模式,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。在ShockBurstTM接收模式下,當一個包含正確地址和數據的數據包被接收到后,地址匹配(AM)和數據準備好(DR)兩引腳通知微控制器。在ShockBurstTM發送模式,nRF905自動產生字頭和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。由以上分析可知,nRF905的ShockBurstTM收發模式有利于節約存儲器和微控制器資源,同時也減小了編寫程序的時間。下面具體詳細分析nRF905的發送流程和接收流程。

2.3.1.1發送流程

典型的nRF905發送流程分以下幾步:
A. 當微控制器有數據要發送時,通過SPI接口,按時序把接收機的地址和要發送的數據送傳給nRF905,SPI接口的速率在通信協議和器件配置時確定;
B. 微控制器置高TRX_CE和TX_EN,激發nRF905的ShockBurstTM發送模式;
C. nRF905的ShockBurstTM發送:
l 射頻寄存器自動開啟;
l 數據打包(加字頭和CRC校驗碼);
l 發送數據包;
l 當數據發送完成,數據準備好引腳被置高;
D. AUTO_RETRAN被置高,nRF905不斷重發,直到TRX_CE被置低;
E. 當TRX_CE被置低,nRF905發送過程完成,自動進入空閑模式。
ShockBurstTM工作模式保證,一旦發送數據的過程開始,無論TRX_EN和TX_EN引腳是高或低,發送過程都會被處理完。只有在前一個數據包被發送完畢,nRF905才能接受下一個發送數據包。

2.3.1.2接收流程

A. 當TRX_CE為高、TX_EN為低時,nRF905進入ShockBurstTM接收模式;
B. 650us后,nRF905不斷監測,等待接收數據;
C. 當nRF905檢測到同一頻段的載波時,載波檢測引腳被置高;
D. 當接收到一個相匹配的地址,地址匹配引腳被置高;
E. 當一個正確的數據包接收完畢,nRF905自動移去字頭、地址和CRC校驗位,然后把數據準備好引腳置高
F. 微控制器把TRX_CE置低,nRF905進入空閑模式;
G. 微控制器通過SPI口,以一定的速率把數據移到微控制器內;
H. 當所有的數據接收完畢,nRF905把數據準備好引腳和地址匹配引腳置低;
I. nRF905此時可以進入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM發送模式或關機模式。

當正在接收一個數據包時,TRX_CE或TX_EN引腳的狀態發生改變,nRF905立即把其工作模式改變,數據包則丟失。當微處理器接到地址匹配引腳的信號之后,其就知道nRF905正在接收數據包,其可以決定是讓nRF905繼續接收該數據包還是進入另一個工作模式。

2.3.2節能模式
nRF905的節能模式包括關機模式和節能模式。
在關機模式,nRF905的工作電流最小,一般為2.5uA。進入關機模式后,nRF905保持配置字中的內容,但不會接收或發送任何數據。

空閑模式有利于減小工作電流,其從空閑模式到發送模式或接收模式的啟動時間也比較短。在空閑模式下,nRF905內部的部分晶體振蕩器處于工作狀態。nRF905在空閑模式下的工作電流跟外部晶體振蕩器的頻率有關。

3. 器件配置
所有配置字都是通過SPI接口送給nRF905。SIP接口的工作方式可通過SPI指令進行設置。當nRF905處于空閑模式或關機模式時,SPI接口可以保持在工作狀態。

3.1 SPI接口配置
SPI接口由狀態寄存器、射頻配置寄存器、發送地址寄存器、發送數據寄存器和接收數據寄存器5個寄存器組成。狀態寄存器包含數據準備好引腳狀態信息和地址匹配引腳狀態信息;射頻配置寄存器包含收發器配置信息,如頻率和輸出功能等;發送地址寄存器包含接收機的地址和數據的字節數;發送數據寄存器包含待發送的數據包的信息,如字節數等;接收數據寄存器包含要接收的數據的字節數等信息。

3.2射頻配置
射頻寄存器的各位的長度是固定的。然而,在ShockBurstTM收發過程中,TX_PAYLOAD、RX_PAYLOAD、TX_ADDRESS和RX_ADDRESS 4個寄存器使用字節數由配置字決定。nRF905進入關機模式或空閑模式時,寄存器中的內容保持不變。

4. 應用電路
nRF905在使用中,根據不同需要,其電路圖不盡相同,圖2所示為典型的應用原理圖,該電路天線部分使用的是50Ω單端天線。在nRF905的電路板設計中,也可以使用環形天線,把天線布在PCB板上,這可減小系統的體積。

5. 結束語
nRF905通過SPI接口和微控制器進行數據傳送,通過ShockBurstTM收發模式進行無線數據發送,收發可靠,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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