单片射频收发器nRF905及其应用

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单片射频收发器nRF905及其应用

% W0 O' L, ?$ \9 z" F摘要：本文首先介绍了单片射频收发器nRF905的芯片结构、引脚功能、工作模式以及射频接收和发送的工作流程；然后分析了nRF905片内SPI接口的配置、射频通信相关寄存器的配置；最后给出了典型的应用电路图。

1. 引言
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9 w, y' \3 L5 \5 hnRF905是挪威Nordic VLSI公司推出的单片射频收发器，工作电压为1.9～3.6V，32引脚QFN封装(5×5mm)，工作于433/868/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道，频道之间的转换时间小于650us。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器， ShockBurstTM工作模式，自动处理字头和CRC(循环冗余码校验)，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常方便。此外，其功耗非常低，以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA，工作于接收模式时的电流为12.5mA，内建空闲模式与关机模式，易于实现节能。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。
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芯片特点如下：

载波监测输出CD（Carry Detect） ----------------避免无线通信碰撞
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地址匹配输出AR（Address Match）--------------易于点对多点无线通信设计
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( P* {" E+ T) D! R, L% U! K+ I数据接收就绪DR（Data Ready）---------------便于节能设计，满足低功耗设计要求

1， 430/868/915Mhz高性能单片式无线收发芯片，1.9～3.6V低电压工作，待机功耗2uA，全部高频元件集成

) B: @6 E4 |% l, x/ N* S5 ~1 X2， 最大发射功率+10dBm，高抗干扰GFSK调制，速率100kbps，独特的载波监测输出，地址匹配输出，就绪输出
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3 n- v5 ^2 a5 m) x9 E/ c3 f3， 内置完整的通信协议和CRC，只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输，无线通信如同SPI通信一样方便
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4， nRF9E5内置高性能增强型51单片机(4 clock)，内带4路ADC 12bit高速采样，单片机全速运行功耗1mA@4M



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2. 芯片结构、引脚介绍及工作模式

2.1芯片结构[1]

nRF905片内集成了电源管理、晶体振荡器、低噪声放大器、频率合成器功率放大器等模块，曼彻斯特编码/解码由片内硬件完成，无需用户对数据进行曼彻斯特编码，因此使用非常方便。nRF905的详细结构如图1所示。


' R" e8 [) w7 ~( m* A2.2引脚介绍

表1：nRF905引脚


2.3工作模式
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nRF905有两种工作模式和两种节能模式。两种工作模式分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式，两种节能模式分别是关机模式和空闲模式。nRF905的工作模式由TRX_CE、TX_EN和PWR_UP三个引脚决定，详见表2。
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2.3.1ShockBurstTM模式

  k: ~3 B+ T3 G9 c0 y+ [与射频数据包有关的高速信号处理都在nRF905片内进行，数据速率由微控制器配置的SPI接口决定，数据在微控制器中低速处理，但在nRF905中高速发送，因此中间有很长时间的空闲，这很有利于节能。由于nRF905工作于ShockBurstTM模式，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。在ShockBurstTM接收模式下，当一个包含正确地址和数据的数据包被接收到后，地址匹配(AM)和数据准备好(DR)两引脚通知微控制器。在ShockBurstTM发送模式，nRF905自动产生字头和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。由以上分析可知，nRF905的ShockBurstTM收发模式有利于节约存储器和微控制器资源，同时也减小了编写程序的时间。下面具体详细分析nRF905的发送流程和接收流程。
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2.3.1.1发送流程
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典型的nRF905发送流程分以下几步：
A. 当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给nRF905，SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定；
2 m# T- o8 q0 s7 AB. 微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激发nRF905的ShockBurstTM发送模式；
C. nRF905的ShockBurstTM发送：
l 射频寄存器自动开启；
l 数据打包(加字头和CRC校验码)；
* h9 s4 o) V7 Y  R/ `; jl 发送数据包；
! G, Z* \$ A8 `/ j6 I; bl 当数据发送完成，数据准备好引脚被置高；
D. AUTO_RETRAN被置高，nRF905不断重发，直到TRX_CE被置低；
% f/ }2 Q' b+ s! u) }  mE. 当TRX_CE被置低，nRF905发送过程完成，自动进入空闲模式。
2 N1 r1 B( X2 y! Y6 HShockBurstTM工作模式保证，一旦发送数据的过程开始，无论TRX_EN和TX_EN引脚是高或低，发送过程都会被处理完。只有在前一个数据包被发送完毕，nRF905才能接受下一个发送数据包。

2.3.1.2接收流程

1 \9 {2 U1 w- ~# I: e( w# n% @A. 当TRX_CE为高、TX_EN为低时，nRF905进入ShockBurstTM接收模式；
1 \9 H" f1 u1 X& r0 d0 ?7 x- VB. 650us后，nRF905不断监测，等待接收数据；
4 Y' }) G: n6 n3 K4 DC. 当nRF905检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高；
% N7 p' m* i; j4 e4 PD. 当接收到一个相匹配的地址，地址匹配引脚被置高；
E. 当一个正确的数据包接收完毕，nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位，然后把数据准备好引脚置高
F. 微控制器把TRX_CE置低，nRF905进入空闲模式；
G. 微控制器通过SPI口，以一定的速率把数据移到微控制器内；
H. 当所有的数据接收完毕，nRF905把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低；
& W! j/ w7 v$ a4 f) J8 N1 JI. nRF905此时可以进入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM发送模式或关机模式。

0 }# ]' _: {  s' d/ l6 Z当正在接收一个数据包时，TRX_CE或TX_EN引脚的状态发生改变，nRF905立即把其工作模式改变，数据包则丢失。当微处理器接到地址匹配引脚的信号之后，其就知道nRF905正在接收数据包，其可以决定是让nRF905继续接收该数据包还是进入另一个工作模式。

2.3.2节能模式
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  H. Q6 ~5 M' {  R9 i5 @5 ]! t* E7 HnRF905的节能模式包括关机模式和节能模式。
在关机模式，nRF905的工作电流最小，一般为2.5uA。进入关机模式后，nRF905保持配置字中的内容，但不会接收或发送任何数据。
空闲模式有利于减小工作电流，其从空闲模式到发送模式或接收模式的启动时间也比较短。在空闲模式下， nRF905内部的部分晶体振荡器处于工作状态。nRF905在空闲模式下的工作电流跟外部晶体振荡器的频率有关。
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3. 器件配置
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# K3 N! v4 b. e, R所有配置字都是通过SPI接口送给nRF905。SIP接口的工作方式可通过SPI指令进行设置。当nRF905处于空闲模式或关机模式时，SPI接口可以保持在工作状态。
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3.1 SPI接口配置
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SPI接口由状态寄存器、射频配置寄存器、发送地址寄存器、发送数据寄存器和接收数据寄存器5个寄存器组成。状态寄存器包含数据准备好引脚状态信息和地址匹配引脚状态信息；射频配置寄存器包含收发器配置信息，如频率和输出功能等；发送地址寄存器包含接收机的地址和数据的字节数；发送数据寄存器包含待发送的数据包的信息，如字节数等；接收数据寄存器包含要接收的数据的字节数等信息。

3 X5 r# j+ d3 Y$ U% H2 H4 L# H3.2射频配置

3 r9 s0 c4 B1 ~5 N% u6 h% @射频配置寄存器和内容如表3所示：
表3：射频配置寄存器
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