登录
注册
基于RF芯片nRF401的无线数传模块设计
作者：维库电子市场网
来源：RFID世界网
日期：2008-10-09 09:37:00
摘要：所设计的无线数传模块由单片射频收发芯片NRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片构成，工作在433.92／434.33MHz频段；可方便地嵌入在各种测量和控制系统中进行无线数据传输，在车辆监控、无线抄表、无线232数据通信、计算机遥控遥测系统中应用。
所设计的无线数传模块由单片射频收发芯片NRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片构成，工作在433.92／434.33MHz频段；可方便地嵌入在各种测量和控制系统中进行无线数据传输，在车辆监控、无线抄表、无线232数据通信、计算机遥控遥测系统中应用。
NRF401是北欧集成电路公司（NORDIC）的产品，是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片，满足欧洲电信工业标准（ETSI）EN300 200-1 V1.2.1。它采用FSK调制解调技术，最高工作速率可以达到20K，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。NRF401的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。它要求非常少的外围元件（约10个），无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一。无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，有两个工作频宽（433.92/434.33MHz）,工作电压范围可以从2.7-5V，还具有待机模式，可以更省电和高效。
NRF401无线收发芯片的结构框图如图1所示：内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。发射电路包含有：射频功率放大器、锁相环（PLL），压控振荡器（VCO），频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器，产生电路所需的基准频率。
其主要特性如下:
工作频率为国际通用的数传频段
FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；
采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好；
灵敏度高，达到-105dBm（NRF401）；
功耗小，接收状态250 A，待机状态仅为8 A（NRF401）；
最大发射功率达 +10dBm ；
低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备的要求；
具有多个频道，可方便地切换工作频率 ；
工作速率最高可达20Kbit/s（RF401）；
仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试；
因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米 (与具体使用环境及元件参数有关)。
引脚排列和功能
NRF401无线收发芯片具有20个引脚。
重要时序参数
TX与RX之间的切换
当从RX切换到TX模式时,数据输入脚(DIN)必须保持为高至少1ms才能收发数据。当从TX切换到RX时，数据输出脚（DOUT）要至少3ms以后有数据输出。
Standby与RX之间的切换
从待机模式到接收模式，当PWR_UP输入设成1时，经过tSR时间后,DOUT脚输出数据才有效。对 NRF401来说，tST最长的时间是3ms。
从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是tST。
Power Up与TX间的切换
从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时，TXEN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据。
从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据，DOUT也不会有数据输出，直到电压稳定达到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振荡器，这个时间可以缩短到3ms。
应用电路及设计应注意问题
在实际应用中，微控制器采用Atmel公司的AT89C52，分别用单片机的P1口各管脚控制NRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS这五个脚即可。
接口芯片采用美信公司的RS232转换芯片MAX3316，完成单片机和计算机RS232接口的电平转换及数据发送、接收、请求、清除功能。关于此芯片的使用可参见其手册。
在NRF401芯片使用时，设定好工作频率，进入正常工作状态后，通过单片机根据需要进行收发转换控制，发送／接收数据或进行状态转换。在实际的设计应用中，需要注意以下几个问题：
1）天线的接入
ANT1和ANT2是接收时LNA的输入，以及发送时功率放大器的输出。连接NRF401的天线是以差分方式连接到NRF401的。在天线端推荐的负载阻抗是400欧姆，射频功率放大器输出是两个开路输出三极管，配制成差分配对方式，功率放大器的VDD必须通过集电极负载，当采用差分环形天线时，VDD必须通过环形天线的中心输入。
2）与单片机共用一个晶振
NRF401可以与单片机共用一个晶振，需要注意从单片机引入的晶体走线不能离数据线或者控制线太近。
PCB布局和去耦设计 印刷电路板（PCB）的设计直接关系到射频性能，为了获得较好的RF性能，PCB设计至少需要两层板来实现，PCB分成射频电路和控制电路两部分布置。NRF401采用PCB天线，在天线的下面没有接地面。射频部分的电源与数字电路部分的电源分离。
为了减少分布参数的影响，在PCB应该避免长的电源走线，所有元件地线，VDD连接线，VDD去耦电容必须离NRF401尽可能的近。NRF401的电源必须经过很好的滤波,并且与数字电路供电分离，在离电源脚VDD尽可能近的地方用高性能的电容去耦，最好是一个小电容和一个大电容相并联。pcb板顶层和底层最好敷铜接地，把这两层的敷铜用较多的过孔紧密相连,再将VSS脚连接到敷铜面。所有开关信号和控制信号都不能经过PLL环路滤波器元件和VCO电感附近。
对NRF401的PCB布局来说，VCO电感的位置是非常重要的。NRF401VCO电感位置的最佳设计是保证产生1.1 0.2V的PLL环路滤波器电压，这个电压可以从FILT1（pin4）测得。
通信协议的设计
NRF401在很多时候用在便携及移动式设备，在这种应用中需要尽可能长时间的工作，考虑到电池的能耗，往往需要考虑节能和低功耗设计的问题。为了节能，NRF401平时大多数情况下应处于关闭状态，由于无线部分硬件上是不具备自动唤醒功能的，为了达到节能的目的，必须通过软件方式采用合理的通信协议以保证节能同时不丢失数据。
1）首先每次发送应该有一个前置码，通常可采用101010101010……，持续一个给定的周期（比如1秒），这个前置码是节能的基础。
2）接收端平时可以开启接收几个毫秒，如果没有收到规定的前置101010101010……，然后关闭约1秒，通过检测前置码而获得同步。开关的时间比也就是工作的占空比，增加前置码的周期可以减少工作的时间，从而减少平均工作电流；需要注意的是增加前置码的长度虽然可以降低功耗，但是会降低系统的响应速度，需要根据系统的要求进行确定。
软件设计
在设计程序时，要注意各状态转换的时延。NRF401的通讯速率最高为20kbit/s，发送数据之前需将电路置于发射模式；接收模式转换为发射模式的转换时间至少为1ms；可以发送任意长度的数据；发射模式转换为接收模式的转换时间至少为3ms。在待机模式时，电路进入待机状态，电路不接收和发射数据。待机模式转换为发射模式的转换时间至少为4ms；待机模式转换为接收模式的转换时间至少为5.0ms。
NRF401是北欧集成电路公司（NORDIC）的产品，是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片，满足欧洲电信工业标准（ETSI）EN300 200-1 V1.2.1。它采用FSK调制解调技术，最高工作速率可以达到20K，发射功率可以调整，最大发射功率是+10dBm。NRF401的天线接口设计为差分天线，以便于使用低成本的PCB天线。它要求非常少的外围元件（约10个），无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件，只需要便宜且易于获得的4MHz晶体，收发天线合一。无需进行初始化和配置，不需要对数据进行曼彻斯特编码，有两个工作频宽（433.92/434.33MHz）,工作电压范围可以从2.7-5V，还具有待机模式，可以更省电和高效。
NRF401无线收发芯片的结构框图如图1所示：内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。发射电路包含有：射频功率放大器、锁相环（PLL），压控振荡器（VCO），频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器，产生电路所需的基准频率。
其主要特性如下:
工作频率为国际通用的数传频段
FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；
采用PLL频率合成技术，频率稳定性极好；
灵敏度高，达到-105dBm（NRF401）；
功耗小，接收状态250 A，待机状态仅为8 A（NRF401）；
最大发射功率达 +10dBm ；
低工作电压（2.7V），可满足低功耗设备的要求；
具有多个频道，可方便地切换工作频率 ；
工作速率最高可达20Kbit/s（RF401）；
仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件，基本无需调试；
因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计，使用无需申请许可证，开阔地的使用距离最远可达1000米 (与具体使用环境及元件参数有关)。
引脚排列和功能
NRF401无线收发芯片具有20个引脚。
重要时序参数
TX与RX之间的切换
当从RX切换到TX模式时,数据输入脚(DIN)必须保持为高至少1ms才能收发数据。当从TX切换到RX时，数据输出脚（DOUT）要至少3ms以后有数据输出。
Standby与RX之间的切换
从待机模式到接收模式，当PWR_UP输入设成1时，经过tSR时间后,DOUT脚输出数据才有效。对 NRF401来说，tST最长的时间是3ms。
从待机模式到发射模式，所需稳定的最大时间是tST。
Power Up与TX间的切换
从加电到发射模式过程中，为了避免开机时产生干扰和辐射，在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低，以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时，TXEN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据。
从上电到接收模式过程中，芯片将不会接收数据，DOUT也不会有数据输出，直到电压稳定达到2.7V以上，并且至少保持5ms。如果采用外部振荡器，这个时间可以缩短到3ms。
应用电路及设计应注意问题
在实际应用中，微控制器采用Atmel公司的AT89C52，分别用单片机的P1口各管脚控制NRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS这五个脚即可。
接口芯片采用美信公司的RS232转换芯片MAX3316，完成单片机和计算机RS232接口的电平转换及数据发送、接收、请求、清除功能。关于此芯片的使用可参见其手册。
在NRF401芯片使用时，设定好工作频率，进入正常工作状态后，通过单片机根据需要进行收发转换控制，发送／接收数据或进行状态转换。在实际的设计应用中，需要注意以下几个问题：
1）天线的接入
ANT1和ANT2是接收时LNA的输入，以及发送时功率放大器的输出。连接NRF401的天线是以差分方式连接到NRF401的。在天线端推荐的负载阻抗是400欧姆，射频功率放大器输出是两个开路输出三极管，配制成差分配对方式，功率放大器的VDD必须通过集电极负载，当采用差分环形天线时，VDD必须通过环形天线的中心输入。
2）与单片机共用一个晶振
NRF401可以与单片机共用一个晶振，需要注意从单片机引入的晶体走线不能离数据线或者控制线太近。
PCB布局和去耦设计 印刷电路板（PCB）的设计直接关系到射频性能，为了获得较好的RF性能，PCB设计至少需要两层板来实现，PCB分成射频电路和控制电路两部分布置。NRF401采用PCB天线，在天线的下面没有接地面。射频部分的电源与数字电路部分的电源分离。
为了减少分布参数的影响，在PCB应该避免长的电源走线，所有元件地线，VDD连接线，VDD去耦电容必须离NRF401尽可能的近。NRF401的电源必须经过很好的滤波,并且与数字电路供电分离，在离电源脚VDD尽可能近的地方用高性能的电容去耦，最好是一个小电容和一个大电容相并联。pcb板顶层和底层最好敷铜接地，把这两层的敷铜用较多的过孔紧密相连,再将VSS脚连接到敷铜面。所有开关信号和控制信号都不能经过PLL环路滤波器元件和VCO电感附近。
对NRF401的PCB布局来说，VCO电感的位置是非常重要的。NRF401VCO电感位置的最佳设计是保证产生1.1 0.2V的PLL环路滤波器电压，这个电压可以从FILT1（pin4）测得。
通信协议的设计
NRF401在很多时候用在便携及移动式设备，在这种应用中需要尽可能长时间的工作，考虑到电池的能耗，往往需要考虑节能和低功耗设计的问题。为了节能，NRF401平时大多数情况下应处于关闭状态，由于无线部分硬件上是不具备自动唤醒功能的，为了达到节能的目的，必须通过软件方式采用合理的通信协议以保证节能同时不丢失数据。
1）首先每次发送应该有一个前置码，通常可采用101010101010……，持续一个给定的周期（比如1秒），这个前置码是节能的基础。
2）接收端平时可以开启接收几个毫秒，如果没有收到规定的前置101010101010……，然后关闭约1秒，通过检测前置码而获得同步。开关的时间比也就是工作的占空比，增加前置码的周期可以减少工作的时间，从而减少平均工作电流；需要注意的是增加前置码的长度虽然可以降低功耗，但是会降低系统的响应速度，需要根据系统的要求进行确定。
软件设计
在设计程序时，要注意各状态转换的时延。NRF401的通讯速率最高为20kbit/s，发送数据之前需将电路置于发射模式；接收模式转换为发射模式的转换时间至少为1ms；可以发送任意长度的数据；发射模式转换为接收模式的转换时间至少为3ms。在待机模式时，电路进入待机状态，电路不接收和发射数据。待机模式转换为发射模式的转换时间至少为4ms；待机模式转换为接收模式的转换时间至少为5.0ms。
