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2.4GHz射频收发芯片nRF2401及其应用
2.4GHz射频收发芯片nRF2401及其应用 摘 要：本文介绍了工作于2.4GHz ISM频段的射频收发芯片nRF2401的芯片结 构、引脚功能、工作模式、接收与发送的工作流程，详细描述了nRF2401的器件 配置，给出了应用电路图，分析了PCB设计时应该注意的问题，最后对全文进行 了总结。关键词：nRF2401；
射频；
无线通信；
收发芯片 1.引言 nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4～2.5GHz ISM频段，芯片内置 频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频 道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只 有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。
其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数 据。nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥 控开锁、遥控玩具等。
2.芯片结构、引脚说明 2.1芯片结构 nRF2401内置地址解码器、先入先出堆栈区、解调处理器、时钟处理 器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要 很少的外围元件，因此使用起来非常方便。QFN24引脚封装，外形尺寸只有 5×5mm。nRF2401的功能模块如图1所示。
2.2 引脚说明 表1：nRF2401引脚 3.工作模式 nRF2401有工作模式有四种：收发模式、配置模式、空闲模式和关机模式。
nRF2401的工作模式由PWR_UP 、CE、TX_EN和CS三个引脚决定，详见表2。
表2：nRF2401工作模式3.1收发模式 nRF2401的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，收发 模式由器件配置字决定，具体配置将在器件配置部分详细介绍。
3.1.1 ShockBurstTM收发模式 ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速 从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，因此，使用低速的 微控制器也能得到很高的射频数据发射速率。与射频协议相关的所有高速信号处 理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；
低的系统费用(低速微处理 器也能进行高速射频发射)；
数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nRF2401的 ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。
在ShockBurstTM收发模式下，nRF2401自动处理字头和CRC校验码。在接 收数据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和CRC 校验码，当发送过程完成后，数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕。
3.1.1.1 ShockBurstTM发射流程 接口引脚为CE，CLK1，DATA A.当微控制器有数据要发送时，其把CE置高，使nRF2401工作；
B.把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401；
C.微控制器把CE置低，激发nRF2401进行ShockBurstTM发射；
D.nRF2401的ShockBurstTM发射 给射频前端供电；
射频数据打包(加字头、CRC校验码)；
高速发射数据包；
发射完成，nRF2401进入空闲状态。
3.1.1.2 ShockBurstTM接收流程 接口引脚CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1) A.配置本机地址和要接收的数据包大小；
B.进入接收状态，把CE置高；
C.200us后，nRF2401进入监视状态，等待数据包的到来；
D.当接收到正确的数据包(正确的地址和CRC校验码)，nRF2401自动把字头、 地址和CRC校验位移去；
E.nRF2401通过把DR1(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器；
F.微控制器把数据从nRF2401移出；
G.所有数据移完，nRF2401把DR1置低，此时，如果CE为高，则等待下一个 数据包，如果CE为低，开始其它工作流程。
3.1.2直接收发模式 在直接收发模式下，nRF2401如传统的射频收发器一样工作。
3.1.2.1直接发送模式 接口引脚为CE、DATA A.当微控制器有数据要发送时，把CE置高；
B.nRF2401射频前端被激活；
C.所有的射频协议必须在微控制器程序中进行处理(包括字头、地址和CRC 校验码)。
3.1.2.2直接接收模式 接口引脚为CE、CLK1和DATA A.一旦nRF2401被配置为直接接收模式，DATA引脚将根据天线接收到的信 号开始高低变化(由于噪声的存在)；
B.CLK1引脚也开始工作；
C.一旦接收到有效的字头，CLK1引脚和DATA引脚将协调工作，把射频数 据包以其被发射时的数据从DATA引脚送给微控制器；
D.这头必须是8位；
E.DR引脚没用上，所有的地址和CRC校验必须在微控制器内部进行。
3.2配置模式 在配置模式，15字节的配置字被送到nRF2401，这通过CS、CLK1和DATA 三个引脚完成，具体的配置方法请参考本文的器件配置部分。
3.3空闲模式 nRF2401的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是， 实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作， 此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4MHz时工作电流为12uA， 外部晶振为16MHz时工作电流为32uA。在空闲模式下，配置字的内容保持在 nRF2401片内。3.4关机模式 在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于1uA。
关机模式下，配置字的内容也会被保持在nRF2401片内，这是该模式与断电状态 最大的区别。
4.器件配置 nRF2401的所有配置工作都是通过CS、CLK1和DATA三个引脚完成，把 其配置为ShockBurstTM收发模式需要15字节的配置字，而如把其配置为直接收 发模式只需要2字节的配置字。由上文对nRF2401工作模式的介绍，我们可以知 道，nRF2401一般工作于ShockBurstTM收发模式，这样，系统的程序编制会更加 简单，并且稳定性也会更高，因此，下文着重介绍把nRF2401配置为ShockBurstTM 收发模式的器件配置方法。
ShockBurstTM的配置字使nRF2401能够处理射频协议，在配置完成后，在 nRF2401工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和 发送模式之间切换。ShockBurstTM的配置字可以分为以下四个部分：
数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数。这使得nRF2401能够区分接 收数据包中的数据和CRC校验码；
地址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数。这使得nRF2401能够区分地 址和数据；
地址：接收数据的地址，有通道1的地址和通道2的地址；
CRC：使nRF2401能够生成CRC校验码和解码。
当使用nRF2401片内的CRC技术时，要确保在配置字中CRC校验被使能， 并且发送和接收使用相同的协议。nRF2401配置字的各个位的描述如表3所示。
表3：nRF2401配置字描述 在配置模式下，注意保证PWR_UP引脚为高电平，CE引脚为低电平。配 置字从最高位开始，依次送入nRF2401。在CS引脚的下降沿，新送入的配置字开 始工作。
5.应用电路图2为nRF2401的应用电路，由图可知，其只需要14个外围元件。nRF2401 应用电路一般工作于3V，它可用多种低功耗微控制器进行控制。在设计过程中， 设计者可使用单鞭天线或环形天线，上图为50欧姆单鞭天线的应用电路。在使用 不同的天线时，为了得到尽可能大的收发距离，电感电容的参数应适当调整。
6.PCB设计 PCB设计对nRF2401的整体性能影响很大，所以PCB设计在nRF2401收发 系统的开发过程中主要的工作之一，在PCB设计时，必须考虑到各种电磁干扰， 注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意电容的位置。
nRF2401的PCB一般都是双层板，底层一般不放置元件，为地层，顶层的 空余地方一般都敷上铜，这些敷铜通过过孔与底层的地相连。直流电源及电源滤 波电容尽量靠近VDD引脚。nRF2401的供电电源应通过电容隔开，这样有利于给 nRF2401提供稳定的电源。在PCB中，尽量多打一些通孔，使顶层和底层的地能 够充分接触。
7.结束语 nRF2401通过ShockBurstTM收发模式进行无线数据发送，收发可靠，其外 形尺寸小，需要的外围元器件也少，因此，使用方便，在工业控制、消费电子等 各个领域都具有广阔的应用前景。
