单片2.4GHz无线收发一体芯片nRF2401及其应用
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摘要：nRF2401是挪威Nordic公司推出的单片2.4GHz无线收发一体芯片。它将射频、8051MCU、9通道１２位ADC、外围元件、电感和滤波器全部集成到单芯片中，并采用２.４GHz频带和０.18μｍ工艺，可提供ShockBurst、DuoCeiver、片上CRC以及地址计算编码等功能。文章详细介绍了nRF2401的结构特点、引脚功能和工作原理，给出了它的典型应用电路。   
关键词：无线收发器；ShockBurst；DuoCeiver;nRF2401
１　概述
ｎＲＦ２４０１无线收发一体芯片和蓝牙一样，都工作在２．４ＧＨｚ自由频段，能够在全球无线市场畅通无阻。ｎＲＦ２４０１支持多点间通信，最高传输速率超过１Ｍｂｉｔ／Ｓ，而且比蓝牙具有更高的传输速度。它采用ＳｏＣ方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不同的是，ｎＲＦ２４０１没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。更重要的是，ｎＲＦ２４０１比蓝牙产品更便宜。所以ｎＲＦ２４０１是业界体积最小、功耗最少、外围元件最少的低成本射频系统级芯片。
２　主要特点和引脚功能
ｎＲＦ２４０１的引脚排列如图１（顶视图）所示。它采用５ｍｍ×５ｍｍ的２４引脚ＱＦＮ封装。ｎＲＦ２４０１的主要特点如下：
●采用全球开放的２.４ＧＨｚ频段，有１２５个频道，可满足多频及跳频需要；
●速率（１Ｍｂｐｓ）高于蓝牙，且具有高数据吞吐量；
●外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路；
●发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置；
●电源电压范围为１.９～３.６Ｖ，功耗很低；
●电流消耗很小，－５ｄＢｍ输出功率时的典型峰值电流为１０.５ｍＡ；
●芯片内部设置有专门的稳压电路，因此，使用任何电源（包括ＤＣ／ＤＣ开关电源）均有很好的通信效果；
●每个芯片均可以通过软件设置最多４０ｂｉｔ地址，而且只有收到本机地址时才会输出数据（提供一个中断指示），同时编程也很方便；
●内置ＣＲＣ纠检错硬件电路和协议；
●采用ＤｕｏＣｅｉｖｅｒ技术可同时接收两个ｎＲＦ２４０１的数据；
●采用ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ模式时，能适用极低的功率操作和不严格的ＭＣＵ执行；
●带有集成增强型８０５１内核、
９路１０ｂｉｔＡＤＣ、ＵＡＲＴ异步串口、ＳＰＩ串口和ＰＷＭ输出；
●内置看门狗；
●无需外部ＳＡＷ滤波器；
●可１００％ＲＦ检验；
●带有数据时隙和数据时钟恢复功能。
３工作原理
ｎＲＦ２４０１的内部结构原理及外部组成框图如图２所示，下面介绍其工作原理。
３．１
ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ模式
ｎＲＦ２４０１的ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ ＲＸ／ＴＸ模式采用片上先进先出（ＦＩＦＯ）来进行低数据率的时钟同步和高数据率的传输，因此极大的降低了功耗。ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ发射主要通过ＭＣＵ接口引脚ＣＥ、ＣＬＫ１和ＤＡＴＡ来完成。当ＭＣＵ请求发送数据时，
置ＣＥ为高电平，此时的接收机地址和有效载荷数据作为ｎＲＦ２４０１的内部时钟，可用请求协议或ＭＣＵ将速率调至１Ｍｂｐｓ；
置ＣＥ为低电平可激活ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ发射。ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔＴＭ接收主要使用ＭＣＵ接口引脚ＣＥ、
ＤＲ１、
ＣＬＫ１和ＤＡＴＡ来实现。当正确设置射频包输入载荷的地址和大小后，置ＣＥ为高电平可激活ＲＸ。此后便可在ｎＲＦ２４０１监测信息输入２００μｓ，若收到有效数据包，则给ＭＣＵ一个中断并置ＤＲ１为高电平，以使ＭＣＵ
以时钟形式输出有效载荷数据，待系统收到全部数据后 ｎＲＦ２４０１再置ＤＲ１为低 此时如果ＣＥ保持高电平，则等待新的数据包。若ＣＥ置低电平，则开始接收新的序列。
３．２
ＤｕｏＣｅｉｖｅｒＴＭ的双信道接收模式ｎＲＦ２４０１的
ＤｕｏＣｅｉｖｅｒＴＭ技术为ＲＸ提供了两个独立的专用数字信道，因而可代替两个单独接收系统。图３所示是ＤｕｏＣｅｉｖｅｒＴＭ同时双接收信道结构图。ｎＲＦ２４０１
可以通过一个天线接口从相隔８ＭＨｚ的两个１Ｍｂｐｓ接收机上接收数据。同时将两个数字信道的输出反馈到两个单独的ＭＣＵ接口。具体的两个信道如下:数字信道
１：ＣＬＫ１，ＤＡＴＡ，ＤＲ１；数字信道
２：ＣＬＫ２，ＤＯＵＴ２，ＤＲ２；
应当说明的是,数字信道２的频率只有在比数字信道１的频率高出８ＭＨｚ时，才能保证正常接收。图4４　典型应用ｎＲＦ２４０１的电源电压范围为１.９～３.６Ｖ，可工作在－４０～＋８５℃的温度范围内。灵敏度为－９０ｄｂｍ。图４是ｎＲＦ２４０１的一个典型应用电路。该电路由５０Ｖ陶瓷电容器（Ｃ１～Ｃ９）、ｎＲＦ２４０１无线电收发器（Ｕ１）以及一个晶振组成，由图可见，该电路外围元
nrf2401 中文资料（2）
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 htmlradio传输数据直接接收模式
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。
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
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来自: hi.baidu/xiaoyan8219/blog/item/49577c1e5f85f66ff6
1、 模块简介：
RF2401SE无线通讯模块，采用2.4G全球开放ISM频段免许可证使用，最高工作速率达1Mbps，125频道满足多点通信和跳频通信需要，体积小巧约34mm*17mm*1mm，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制领域                                                                 
2、 产品特点：   
1．2.4Ghz 全球开放ISM 频段免许可证使用；
2．最高工作速率1Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，适合工业控制场合；
3．125 频道，满足多点网络通信需要；
4．内置硬件8/16位CRC校验和点对多点通信地址控制，结合TDMA-CDMA-FDMA原理，可实现无线网络通讯；
5．低功耗1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态仅为1uA ；
6．模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示），可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便；
7．收发完成中断标志，每次最多可发28字节；
8．内置专门稳压电路，使用各种电源包括DC/DC 开关电源均有很好的通信效果；
9．标准DIP间距接口，便于嵌入式应用10．CLK，DATA，DR三线接口，软件编写简单。
11．双通道数据接收，内置环行天线，开阔无干扰条件通信距离在100米左右。
12．模块尺寸: 34mm * 17mm * 1mm（不含天线）
3、 应用领域：
车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线门禁控制系统、小区短距离传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线数字音频、数字图像传输等
 四、备注：
更详细资料及产品开发文档可到飞拓电子了解及下载，购买产品可提供相关测试程序、参考例程等资料，另外建议选用本公司出品的配套无线开发板套件，帮助无线工程
师更好地进行无线应用开发等，缩短开发周期。同时本公司提供全程技术支持。RF2401SE
系统级RF芯片nRF24E1收发原理与应用编程
时间：2004-12-07 16:53:00 来源：单片机及嵌入式系统应用 作者：郑启忠 朱宏辉 耿四军 万江红
    摘要：从应用的角度出发，阐述系统级RF收发芯片nRF24E1的RADIO口控制方法和工作过程；分析nRF24E1的收发方式；详细介绍ShockBUrst技术、DuoCeiver技术和应用中器件的配置方法并通过代码说明实际应用中的编程方法。
    关键词：nRF24E1 射频 无线通信 配置
引言
nRF24E1收发器是Nordic VLSI推出的系统级射频芯片，采用先进的0.18μm CMOS工艺、6mm×6mm的36引脚QFN封装，以nRF240 RF芯片结构为基础，将射频率、8051MCU、9
输入10位ADC、125通道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到单芯片中，是目前世界首次推出的、全球2.4GHz通用的、完事的低成本射频系统级芯片。
由于nRF24E1片内集成了RADIO模块，在使用中，只需要一片nRF24E1和少数的外围元件就能完成射频收发功能，因此，大大减少了系统的体积。使用nRF24E1时，必须进行相应的配置工作。下面，详细讲述nRF24E1的收发原理和编程方法，以供读者设计时参考。有关nRF24E1的介绍请见2004年第6期。
1 RADIO口
nRF24E1收发器的收发任务由RADIO口控制。RADIO口使用标准8051中的P2口地址。由于射频收发器是片内置的，并不是双向工作。为了满足射频收发子系统的需要，RADIO口的默认值与标准8051的P2默认值也不一样。
收发器由特殊功能豁口中的RADIO（0A0H）和SPI_CTRL(0B3H)控制。SPI_CTRL=00B时，SPI没用；SPI_CTRL=01B时，SPI连接到P1口；SPI_CTRL=10B时，SPI连到第一个nRF2401频道；SPI_CTRL=11B时，SPI连接到第二个nRF2401频道。RADIO豁口的各个位如图1所示。在nRF24E1头文件中，所定义的各个位的名字与图1中一样。
（1）用SPI口控制收发器
用芯片内嵌的SPI口控制收发器的操作非常方便。如RF配置和ShockBurst RX（接收）或TX（发送）。
（2）复位时RADIO口的状态
复位引脚为高电平时（无论是时钟是否有效），控制nRF2401收发子系统的RADIO输出位默认为RADIO.3（CS）=0，RADIO.6（CE）=0，RADIO.7(PWR_UP)=1。程序运行后，保持默认值，直到程序通过RADIO寄存器改变各位的值。

2 收发方式
通过PWR_UP、CE和CS三个控制引脚，可以设置nRF2401的工作方式。PWR_UP=1，C
E=1，CS=0为收发方式；PWR_UP=1，CE=0，CS=1为配置方式；PWR_UP=1，CE=0，CS=0为空闲方式；PWPWR_UP=0时关机。
2.1 ShockBurst
nRF24E1的nRF2401收发子系统的收发方式只有ShockBurst。ShockBurst的功能由配置字决定。ShockBurst技术使用了片内的FIFO（先入先出）堆栈。虽然数据低速进入，但能高速发送，使能耗减到最低限度。
（1）ShockBurst发送
CPU接口引脚为CE、CLK1、DATA，工作流程如下：
①CPU有数据要发送时，把CE置高，nRF2401开始工作。
②接收节点地址和有效数据按时序被送到nRF2401子系统，可通过应用协议或CPU设置，使这个速度小于1Mbps(如10kbps)。
③CPU把CE置低，激活ShockBurst发送。
④ShockBurst。
*给RF前端供电；
*完成RF包处理（加前缀，CRC校验）；
*数据高速发送（250kbps或1Mbps，可由用户配置决定）；
*发送完成，nRF2401返回空闲信号。
（2）ShockBurst接收
CPU的接口引脚为CE、DR1、CLK1、DATA，工作流程如下：
①校验接收到的RF包的地址和欲接收的RF包中有效数据的长度。
②把CE置高，激活RX。
③经过200μs处理，nRF2401子系统监视启动并等待信号的到来。
④当收到一个有效的数据包（正确的地址和CRC），nRF2401子系统移去前缀、地址和CRC位。
⑤nRF2401子系统通过把DR1置高来通知CPU。
⑥CPU把CE置低，把RF前端设为低功耗方式。
⑦CPU将按时序以适当的速度（如10kbps）把有效数据取出。
⑧当所有的有效数据都送完，nRF2401子系统再次把DR1置低。如果CE保持为高，准备接收下一个数据包；CE为低，重新开始新的接收。
2.2 DuoCeiver
ShockBurst收发方式使nRF24E1能够方便地同时接收两个不同频率的频道发送的数据，并且能够使接收速度达到最大值。这意味着：
*nRF24E1通过一个天线，能够接收两个频率相差8MHz（8个频率通道）的1Mbps发射器（如nRF24E1、nRF2401或nRF2402）发送的数据。
*这两个不同数据频道的数据被分别送到两套不同的接口——数据频道1为CLK1、DATA和DR1，数据频道2为CLK2、DOUT2和DR2。
DuoCeiver技术提供了两个独立、专用于接收的数据频道，而不是采用两个相互独立的接收器。使用第二个数据频道必须满足要求：第二数据频道的工作频率至少比第一个频道的工作频率高8MHz。使用ShockBurst技术，CPU先取出其中一个数据频道中的数据，另一数据频道中的数据等待CPU处理完。这样不至于丢失数据；同时，也降低了对CPU性能的要求。
3 器件配置
在配置方式下，配置字最高可达18字节。nRF2401子系统的配置字通过一个简单的三线接口（CS、CLK1和DATA）送给配置寄存器。
3.1 ShockBurst的配置
ShockBurst方式配置字的作用是使nRF2401子系统能够处理RF协议。在实际操作中，一旦完成协议并装入了nRF2401子系统，只有1字节（bit[7:0]）的配置字需要更新。用于Shock
Burst的配置字分为如下四块（详见表2）：

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