通 信 原 理 课 程 设 计
课程设计
题目
基于nRF2401 GFSK 2.4GHz的无线数据
收发器电路设计
学院名称
船山学院
指导老师
黄智伟
班
级
通信工程081班 学
号
20089400113 学生姓名
张飞
2011年5月
通 信 原 理 课 程 设 计
基于nRF2401芯片的无线数据收发器电路设计
摘要
nRF2401是一款工作在2.4GHz~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurstTM模式控制器、功率放大器。晶体振荡器。调制器、解调器。输出功率。频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。极低的电流消耗：当工作在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9mA，接收模式时为12.3mA。掉电模式和待机模式下电流消耗更低。
关键字：nRF2401；射频；无线通信；单片无线收发器芯片
Abstract nRF2401 is a single-chip radio transceiver for the world wide 2.4~2.5 GHz ISM band.The transceiver consists of a fully integrated frequency synthesizer, a power amplifier a crystal oscillator and a modulator.Output power and frequency channels are easily programmable by use of the 3-wire serial interface.Current consumption is very low, only 10.5mA at an output power of -5dBm and 18mA in receive mode .Built-in Power Down modes makes power saving easily realizable.
Key word:
nRF2401；radio frequency ;wirele communications; single-chip radio transceiver
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目 录
1.nRF2401芯片简介 .................................................................................4 2.nRF2401芯片封装与引脚功能 ............................................................4 2.1． QFN24引脚封装，外形尺寸只有5×5mm。 .........................4 2.2 引脚说明 .......................................................................................5 3.nRF2401内部结构与工作原理 ............................................................6 3.1 芯片结构 .......................................................................................6 3.2 工作模式 .......................................................................................6 3.3 收发模式 .......................................................................................7 3.3.1 ShockBurstTM收发模式 ...................................................7 3.3.1.1 ShockBurstTM发射流程 .............................................7 3.3.2 直接收发模式 ......................................................................8 3.3.2.1直接发送模式 ..............................................................8 3.3.2.2直接接收模式 ..............................................................8 3.4 配置模式 .......................................................................................8 3.5 空闲模式 .......................................................................................9 3.6 关机模式 .......................................................................................9 3.7.器件配置 ....................................................................................10 4.nRF2401芯片应用电路设计 ..............................................................11 4.1 PCB设计 ......................................................................................11 5.总结 ........................................................................................................12 6.参考文献 ................................................................................................13
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1.nRF2401芯片简介
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适合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.nRF2401芯片封装与引脚功能
2.1． QFN24引脚封装，外形尺寸只有5×5mm。
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引脚说明
表1：nRF2401引脚
2.2
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3.nRF2401内部结构与工作原理
3.1 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nRF2401的功能模块如图1所示。
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。
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表2：nRF2401工作模式
3.3 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。
3.3.1 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。
3.3.1.1 ShockBurstTM发射流程
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。
3.3.1.2 ShockBurstTM接收流程
接口引脚CE、DR
1、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；
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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，假如CE为高，则等待下一个数据包，假如CE为低，开始其它工作流程。
3.3.2 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。
3.3.2.1直接发送模式
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)。
3.3.2.2直接接收模式
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。
3.4 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。
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3.5 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。
3.6 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。
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表3 nRF2401配置字的各个位的描述
3.7.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。在配置模式下，注重保证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。
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4.nRF2401芯片应用电路设计
图2 nRF2401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。
4.1 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。
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图3 PCB图
图四 nRF2401的3D图
5.总结
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。
经过这个通信原理的课程设计，提高了我的资料查阅能力。只是大部分的资料都是英文的，对于英文能力不太好的自己，深知作为一名通信工程专业的学生，英文资料的阅读是必备的能力。其次设计也是我们将来必须的技能。这次课程设计恰恰给我提供了一个应用自己
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所学知识的机会，既巩固了从前学过的许多电子技术基础理论知识，又让我熟悉的PCB画图软件的使用。
在整个课程设计过程中，花费时间最多的是对英文资料的翻译和论文的最后整理。通过去图书馆和上网，我收集了许多相关的资料和方案，但是大多数的资料还是英文的，因此需要大量的翻译工作。设计过程中，我深刻地体会到在设计过程中，需要反复实践。设计思路是实施操作的扎实基石。一个良好的设计思路是电路的生命，宁愿在思路设计上多花上50℅的时间，前期的制作给后期的制作带来了很大的方便，可以节省许多时间。同时，在制作过程中马虎不得，粗心不得，特别是电子类的设计制作更应该如此。一步一步来，绝对不可囫囵吞枣，不可贪图方便。灵活的利用书本上的知识，万变不离其宗，扎实地掌握核心的方法，做到活用巧用。
这次通信原理的课程设计虽然只需要做报告，但nRF2401芯片应用电路的电路原理图的绘制和PCB的绘制花了我很长的时间，在绘制PCB图时遇到了很大的困难，很多的东西不是仅仅的画好就完事了，还要考虑元器件的布局和走线，以减小各部分之间的干扰，也知道了搞射频不是一件简单的事情，需要下很多的功夫去实践，去学习，希望可以通过这次的课程设计能够阵阵的了解一些射频相关的东西，为以后的就业打好一定的基础。
6.参考文献
１.黄智伟．射频集成电路芯片原理与应用电路设计[M].北京：电子工业出版社 ．2004年3月
2.黄智伟．无线发射与接收电路设计[M].北京：北京航空航天大学出版社．2007年7月 3.谈世哲.Protel DXP 2004 电路设计基础与典型范例[M].北京：电子工业出版社.2009年三月
