基于RF芯片nRF401的無線數(shù)傳模塊設計

2025

01-04

07:22:19

 28

來源：北京友我科技有限公司

所設計的無線數(shù)傳模塊由單片射頻收發(fā)芯片NRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片構成，工作在433.92／434.33MHz頻段；可方便地嵌入在各種測量和控制系統(tǒng)中進行無線數(shù)據(jù)傳輸，在車輛監(jiān)控、無線抄表、無線232數(shù)據(jù)通信、計算機遙控遙測系統(tǒng)中應用。

　　NRF401是北歐集成電路公司（NORDIC）的產品，是一個為433MHz ISM頻段設計的真正單片UHF無線收發(fā)芯片，滿足歐洲電信工業(yè)標準（ETSI）EN300 200-1 V1.2.1。它采用FSK調制解調技術，高工作速率可以達到20K，發(fā)射功率可以調整，大發(fā)射功率是+10dBm。NRF401的天線接口設計為差分天線，以便于使用低成本的PCB天線。它要求非常少的外圍元件（約10個），無需聲表濾波器、變容管等昂貴的元件，只需要便宜且易于獲得的4MHz晶體，收發(fā)天線合一。無需進行初始化和配置，不需要對數(shù)據(jù)進行曼徹斯特編碼，有兩個工作頻寬（433.92/434.33MHz）,工作電壓范圍可以從2.7-5V，還具有待機模式，可以更省電和高效。

　　NRF401無線收發(fā)芯片的結構框圖如圖1所示：內部結構可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路及串行接口幾部分。發(fā)射電路包含有：射頻功率放大器、鎖相環(huán)（PLL），壓控振蕩器（VCO），頻率合成器等電路。基準振蕩器采用外接晶體振蕩器，產生電路所需的基準頻率。

其主要特性如下:

　　工作頻率為國際通用的數(shù)傳頻段
　　FSK調制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合；
　　采用PLL頻率合成技術，頻率穩(wěn)定性；
　　靈敏度高，達到-105dBm（NRF401）；
　　功耗小，接收狀態(tài)250 A，待機狀態(tài)僅為8 A（NRF401）；
　　大發(fā)射功率達 +10dBm ；
　　低工作電壓（2.7V），可滿足低功耗設備的要求；
　　具有多個頻道，可方便地切換工作頻率；
　　工作速率高可達20Kbit/s（RF401）；
　　僅外接一個晶體和幾個阻容、電感元件，基本無需調試；
　　因采用了低發(fā)射功率、高接收靈敏度的設計，使用無需申請許可證，開闊地的使用距離遠可達1000米 (與具體使用環(huán)境及元件參數(shù)有關)。

引腳排列和功能

　　NRF401無線收發(fā)芯片具有20個引腳。

　　重要時序參數(shù)

　　TX與RX之間的切換

　　當從RX切換到TX模式時,數(shù)據(jù)輸入腳(DIN)必須保持為高至少1ms才能收發(fā)數(shù)據(jù)。當從TX切換到RX時，數(shù)據(jù)輸出腳（DOUT）要至少3ms以后有數(shù)據(jù)輸出。

Standby與RX之間的切換

　　從待機模式到接收模式，當PWR_UP輸入設成1時，經(jīng)過tSR時間后,DOUT腳輸出數(shù)據(jù)才有效。對 NRF401來說，tST長的時間是3ms。

從待機模式到發(fā)射模式，所需穩(wěn)定的大時間是tST。

Power Up與TX間的切換

　　從加電到發(fā)射模式過程中，為了避免開機時產生干擾和輻射，在上電過程中TXEN的輸入腳必須保持為低，以便于頻率合成器進入穩(wěn)定工作狀態(tài)。當由上電進入發(fā)射模式時，TXEN必須保持1ms以后才可以往DIN發(fā)送數(shù)據(jù)。

從上電到接收模式過程中，芯片將不會接收數(shù)據(jù)，DOUT也不會有數(shù)據(jù)輸出，直到電壓穩(wěn)定達到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振蕩器，這個時間可以縮短到3ms。

應用電路及設計應注意問題

在實際應用中，微控制器采用Atmel公司的AT89C52，分別用單片機的P1口各管腳控制NRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS這五個腳即可。

接口芯片采用美信公司的RS232轉換芯片MAX3316，完成單片機和計算機RS232接口的電平轉換及數(shù)據(jù)發(fā)送、接收、請求、清除功能。關于此芯片的使用可參見其手冊。

在NRF401芯片使用時，設定好工作頻率，進入正常工作狀態(tài)后，通過單片機根據(jù)需要進行收發(fā)轉換控制，發(fā)送／接收數(shù)據(jù)或進行狀態(tài)轉換。在實際的設計應用中，需要注意以下幾個問題：

1）天線的接入

ANT1和ANT2是接收時LNA的輸入，以及發(fā)送時功率放大器的輸出。連接NRF401的天線是以差分方式連接到NRF401的。在天線端推薦的負載阻抗是400歐姆，射頻功率放大器輸出是兩個開路輸出三極管，配制成差分配對方式，功率放大器的VDD必須通過集電極負載，當采用差分環(huán)形天線時，VDD必須通過環(huán)形天線的中心輸入。

2）與單片機共用一個晶振

NRF401可以與單片機共用一個晶振，需要注意從單片機引入的晶體走線不能離數(shù)據(jù)線或者控制線太近。

PCB布局和去耦設計印刷電路板（PCB）的設計直接關系到射頻性能，為了獲得較好的RF性能，PCB設計至少需要兩層板來實現(xiàn)，PCB分成射頻電路和控制電路兩部分布置。NRF401采用PCB天線，在天線的下面沒有接地面。射頻部分的電源與數(shù)字電路部分的電源分離。

為了減少分布參數(shù)的影響，在PCB應該避免長的電源走線，所有元件地線，VDD連接線，VDD去耦電容必須離NRF401盡可能的近。NRF401的電源必須經(jīng)過很好的濾波,并且與數(shù)字電路供電分離，在離電源腳VDD盡可能近的地方用高性能的電容去耦，好是一個小電容和一個大電容相并聯(lián)。pcb板頂層和底層好敷銅接地，把這兩層的敷銅用較多的過孔緊密相連,再將VSS腳連接到敷銅面。所有開關信號和控制信號都不能經(jīng)過PLL環(huán)路濾波器元件和VCO電感附近。

對NRF401的PCB布局來說，VCO電感的位置是非常重要的。NRF401VCO電感位置的佳設計是保證產生1.1 0.2V的PLL環(huán)路濾波器電壓，這個電壓可以從FILT1（pin4）測得。

通信協(xié)議的設計

NRF401在很多時候用在便攜及移動式設備，在這種應用中需要盡可能長時間的工作，考慮到電池的能耗，往往需要考慮節(jié)能和低功耗設計的問題。為了節(jié)能，NRF401平時大多數(shù)情況下應處于關閉狀態(tài)，由于無線部分硬件上是不具備自動喚醒功能的，為了達到節(jié)能的目的，必須通過軟件方式采用合理的通信協(xié)議以保證節(jié)能同時不丟失數(shù)據(jù)。

1）首先每次發(fā)送應該有一個前置碼，通?？刹捎谩?，持續(xù)一個給定的周期（比如1秒），這個前置碼是節(jié)能的基礎。

2）接收端平時可以開啟接收幾個毫秒，如果沒有收到規(guī)定的前置……，然后關閉約1秒，通過檢測前置碼而獲得同步。開關的時間比也就是工作的占空比，增加前置碼的周期可以減少工作的時間，從而減少平均工作電流；需要注意的是增加前置碼的長度雖然可以降低功耗，但是會降低系統(tǒng)的響應速度，需要根據(jù)系統(tǒng)的要求進行確定。

軟件設計

在設計程序時，要注意各狀態(tài)轉換的時延。NRF401的通訊速率高為20kbit/s，發(fā)送數(shù)據(jù)之前需將電路置于發(fā)射模式；接收模式轉換為發(fā)射模式的轉換時間至少為1ms；可以發(fā)送任意長度的數(shù)據(jù)；發(fā)射模式轉換為接收模式的轉換時間至少為3ms。在待機模式時，電路進入待機狀態(tài)，電路不接收和發(fā)射數(shù)據(jù)。待機模式轉換為發(fā)射模式的轉換時間至少為4ms；待機模式轉換為接收模式的轉換時間至少為5.0ms。

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