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2.4GHz射频收发芯片 nRF2401及其应用 文章作者：武汉理工大学 郑启忠 朱宏辉 耿四军 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 2 给射频前端供电； 2 射频数据打包(加字头、CRC 校验码)； 2 高速发射数据包； 2 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