射頻SoC nRF9E5及無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

摘要：介紹最新51兼容的射頻SoC(片上系統(tǒng))nRF9E5的系統(tǒng)框架、各個(gè)組成部分、工作方式和配置方法；分析無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)用nRF9E5進(jìn)行無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的通信協(xié)議；給出系統(tǒng)的硬件原理圖和程序流程圖；歸納nRF9E5在無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢。

引言

nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系統(tǒng)級(jí)RF芯片，其內(nèi)置nRF905 433/868/915MHz收發(fā)器、8051兼容微控制器和4輸入10位80ksps A/D轉(zhuǎn)換器，是真正的系統(tǒng)級(jí)芯片，如圖1所示。內(nèi)置nRF905收發(fā)器與nRF905芯片的收發(fā)器一樣，可以工作于ShockBurst(自動(dòng)處理前綴、地址和CRC)方式。內(nèi)置電壓調(diào)整模塊，最大限度地抑制噪音，為系統(tǒng)提供1.9～3.6V的工作電壓，QFN5×5mm封裝，載波檢測。nRF9E5符合美國通信委員會(huì)和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會(huì)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很適用于無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

圖1

1 nRF9E5功能介紹

1.1 nRF9E5硬件

（1）微控制器

nRF9E5的片內(nèi)微控制器與標(biāo)準(zhǔn)8051兼容，指令時(shí)序與標(biāo)準(zhǔn)8051稍有區(qū)別。典型的區(qū)別是：nRF9E5的片內(nèi)微控制器的指令周期為4到20個(gè)指令周期。中斷控制器支持5個(gè)擴(kuò)展中斷源：ADC中斷、SPI中斷、RADIO1中斷、RADIO2中斷和喚醒定時(shí)器中斷。片內(nèi)控制器還有3個(gè)與8052相同的定時(shí)器。1個(gè)和8051相同的串口，可以用定時(shí)器1和定時(shí)器2來作為異步通信的波特率產(chǎn)生器。此外，還擴(kuò)展了2個(gè)數(shù)據(jù)指針，以方便于從XRAM區(qū)讀取數(shù)據(jù)。微處理器中有256B的數(shù)據(jù)RAM和512B的ROM。上電復(fù)位或軟件復(fù)位后，處理器自動(dòng)執(zhí)行ROM引導(dǎo)區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，從EEROM加載到1個(gè)4KB的RAM中，這個(gè)4KB的RAM也可作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用。NRF9E5的大部分寄存器和標(biāo)準(zhǔn)8051相同，只是增加了一些特殊功能寄存器，如RADIO（P2）、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY、RCAP2L、RCAP2H、CKLFCON等。nRF9E5中的P0、P1和P2口寄存器地址和標(biāo)準(zhǔn)8051中的相同，都是0x80、0x90、0xA0,但功能和標(biāo)準(zhǔn)8051中的有所不同。

（2）CKLF時(shí)鐘、RTC喚醒定時(shí)器、GPIO喚醒和WTD

nRF9E5內(nèi)有一個(gè)低頻的時(shí)鐘CKLF，該時(shí)鐘常開。當(dāng)晶振開始工作后，CKLF頻率為4Hz；晶振不工作時(shí)，CKLF是一個(gè)低功耗RC晶振器，只要VDD≥1.8V，其連續(xù)工作。RTC喚醒定時(shí)器、WTD（看門狗）和GPIO喚醒全都工作在CKLF頻率，以保證芯片功耗工作時(shí)能夠完成這三個(gè)功能。RTC喚醒定時(shí)器是一個(gè)24位可編程控制的遞減計(jì)數(shù)器，WTD則是一個(gè)16位可編程控制遞減計(jì)數(shù)器。RTC喚醒定時(shí)器和WTD的循環(huán)周期一般在300μs～80ms，默認(rèn)為1ms。RTC喚醒定時(shí)器也能作GPIO的輸出源，也就是說，當(dāng)RTC喚醒定時(shí)器初始化時(shí)間發(fā)生溢出時(shí)，能夠產(chǎn)生一個(gè)用作GPIO輸出的程序脈沖。

（3）SPI接口和A/D轉(zhuǎn)換器

SPI（串行外設(shè)接口）的接口引腳有MISO（接收EEPROM的SDO送來的數(shù)據(jù)）、SCK（給EEPROM的SCK提供時(shí)鐘信號(hào)）、MOSI（送數(shù)據(jù)到EEPROM的SDI）、EECSN（給EEPROM的CSN送使能信號(hào)）。SPI口的MISO、SCK和MOSI與P1口的低3位重用，通過寄存器SPI_CTRL控制來控制功能間的撤換。SPI硬件不產(chǎn)生任何片選信號(hào)，可以用GPIO口來進(jìn)行片選。通常，系統(tǒng)上電時(shí)，SPI自動(dòng)和片外25320相連。當(dāng)程序加載完成后，MISO（P1.2）、MOSI（P1.0）可能會(huì)用作其它用途，比如其它的SPI器件或GPIO。

nRF9E5片內(nèi)有10位ADC，A/D轉(zhuǎn)換參考電壓可以通過軟件設(shè)置在AREF和1.22V之間（內(nèi)部參考電壓）。A/D轉(zhuǎn)換器的4個(gè)輸入可通過軟件進(jìn)行選擇，通道0～3可以把對應(yīng)引腳AIN0～AIN3上的電壓值分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，通道4用于對nRF9E5工作電壓的監(jiān)控。A/D轉(zhuǎn)換器默認(rèn)工作于10位方式，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。

圖3

（4）射頻收發(fā)器

nRF9E5收發(fā)器通過內(nèi)部并行口或內(nèi)部SPI口與其它模塊進(jìn)行通信 ，具有同單片射頻收發(fā)器nRF905相同的功能。收發(fā)器通過片內(nèi)MCU的并行口或SPI口與微控制器通信，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，載波檢測和地址匹配信號(hào)能夠作為微控制器和中斷。

nRF905工作于433/868/915MHz ISM頻段。收發(fā)器由1個(gè)完事的頻率合成器、1個(gè)功率放大器、1個(gè)調(diào)節(jié)呂和2個(gè)接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數(shù)可通過對特殊功能寄存器RADIO（0xA0）編程進(jìn)行控制。發(fā)射模式下，射頻電流消耗為11mA,接收模式下為12.5mA。為了節(jié)能，可通過程序控制收發(fā)器的開/關(guān)。

1.2 nRF9E5的收發(fā)方式

不同于nRF401和nRF903，nRF9E5使用SPI接口進(jìn)行單片機(jī)與無線模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。這部分在nRF9E5片內(nèi)的8051內(nèi)核與nRF905射頻收發(fā)器之間完成。nRF9E5片內(nèi)的8051內(nèi)核與nRF905射頻收發(fā)器之間完成。nRF905片內(nèi)的8051內(nèi)核與nRF905射頻收發(fā)器之間完成。nRF9E5的收發(fā)器有三種工作方式，ShockBurst接收（RX）方式、ShockBurst發(fā)送（TX）方式和空閑方式。當(dāng)收發(fā)器在空閑方式下，微控器依然在運(yùn)行。

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