介紹了最新的51兼容射頻SoC(片上系統(tǒng))nRF9E5的系統(tǒng)框架、組成、工作方式和配置方法。分析了無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和利用nRF9E5設(shè)計無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)的通信協(xié)議；給出了系統(tǒng)的硬件原理圖和程序流程圖?？偨Y(jié)nRF9E5在無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計中的優(yōu)勢。

介紹

NRF9E5是Nordic VLSI于2004年2月5日推出的系統(tǒng)級射頻芯片。它內(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，是一個真正的片上系統(tǒng)，如圖1所示。內(nèi)置的nRF905收發(fā)器和nRF905芯片的收發(fā)器一樣，可以工作在ShockBurst(自動前綴、地址和CRC處理)模式。內(nèi)置電壓調(diào)節(jié)模塊，可最大限度降低噪音，為系統(tǒng)提供1.9~3.6V工作電壓，QFN5 & TImes5毫米封裝，載體檢測。NRF9E5符合美國通信委員會和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。NRF905功耗低、運行可靠，非常適合無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計。圖11 nrf9e 5功能介紹

1.1 nRF9E5硬件

(1)微控制器

nRF9E5的片內(nèi)微控制器兼容標(biāo)準(zhǔn)8051，指令時序與標(biāo)準(zhǔn)8051略有不同。典型的區(qū)別是nRF9E5的片內(nèi)微控制器的指令周期是4到20個指令周期。中斷控制器支持五種擴展中斷源:ADC中斷、SPI中斷、RADIO1中斷、RADIO2中斷和喚醒定時器中斷。片內(nèi)控制器還有三個與8052相同的定時器。1與8051相同的串行端口、定時器1和定時器2可用作異步通信的波特率發(fā)生器。此外，擴展了兩個數(shù)據(jù)指針，以便于從XRAM區(qū)域讀取數(shù)據(jù)。微處理器中有256B數(shù)據(jù)RAM和512B ROM。上電復(fù)位或軟件復(fù)位后，處理器自動執(zhí)行ROM引導(dǎo)區(qū)中的代碼。用戶程序通常在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下從EEROM加載到一個4KB RAM中，這個4KB RAM也可以用來存儲數(shù)據(jù)。NRF9E5的大部分寄存器與標(biāo)準(zhǔn)8051的相同，只是增加了一些特殊功能寄存器，如RADIO(P2)、ADCCON、adcatah、ADCDATAL、adcstat、PWMCON、PWMDUTY、RCAP2L、RCAP2H、CKLFCON等。nRF9E5中P0、P1、P2的寄存器地址與標(biāo)準(zhǔn)8051中的相同，都是0x80、0x90、0xA0，但功能與標(biāo)準(zhǔn)8051中的不同。(2)CKLF時鐘、RTC喚醒定時器、GPIO喚醒和WTD

nRF9E5中有一個低頻時鐘CKLF，一直開著。晶振開始工作時，CKLF頻率為4hz；晶振不工作時，CKLF是低功耗RC晶振，只要VDD & ge；1.8V，連續(xù)工作。RTC喚醒定時器、WTD(看門狗)和GPIO喚醒都工作在CKLF頻率，保證芯片工作在功耗時這三個功能能夠完成。RTC喚醒定時器是一個24位可編程遞減計數(shù)器，而WTD是一個16位可編程遞減計數(shù)器。RTC喚醒定時器和WTD的周期一般為300μsS ~ 80 ms，默認為1 ms，RTC喚醒定時器也可以作為GPIO的輸出源，即當(dāng)RTC喚醒定時器的初始化時間溢出時，可以產(chǎn)生一個程序脈沖用于GPIO輸出。

(3)SPI接口和模數(shù)轉(zhuǎn)換器

SPI(串行外設(shè)接口)的接口引腳包括MISO(從EEPROM的SDO接收數(shù)據(jù))、SCK(向EEPROM的SCK提供時鐘信號)、MOSI(向EEPROM的SDI發(fā)送數(shù)據(jù))和EECSN(向EEPROM的CSN發(fā)送使能信號)。SPI端口的MISO、SCK和MOSI與P1端口的低3位一起重用，功能之間的替換由寄存器SPI_CTRL控制。SPI硬件不產(chǎn)生任何片選信號，可以使用GPIO端口進行片選。通常，當(dāng)系統(tǒng)上電時，SPI會自動連接到片外25320。程序加載后，MISO(P1.2)和MOSI(P1.0)可用于其他目的，如其他SPI器件或GPIO。

nRF9E5的芯片上有10位ADC，可以通過軟件在AREF和1.22V(內(nèi)部基準(zhǔn)電壓)之間設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換基準(zhǔn)電壓。A/D轉(zhuǎn)換器的四路輸入可以通過軟件選擇。通道0 ~ 3可以分別將相應(yīng)引腳AIN0~AIN3上的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。通道4用于監(jiān)控nRF9E5的工作電壓。A/D轉(zhuǎn)換器默認工作在10位模式，通過軟件可以使其工作在6位、8位或12位模式。圖3 (4)射頻收發(fā)器

NR9E5收發(fā)器通過內(nèi)部并口或內(nèi)部SPI口與其他模塊通信，功能與單芯片射頻收發(fā)器nRF905相同。收發(fā)器通過片內(nèi)MCU的并口或SPI口與微控制器通信，數(shù)據(jù)就緒，載波檢測和地址匹配信號可作為微控制器和中斷。

NRF905工作在ISM頻段433/868/915mhz。收發(fā)器由一個成品頻率合成器、一個功率放大器、一個調(diào)節(jié)器和兩個接收器組成。輸出功率、通道和其它RF參數(shù)可以通過對特殊功能寄存器RADIO(0xA0)進行編程來控制。發(fā)射模式下的射頻功耗為11mA，接收模式下為12.5mA。為了節(jié)約能源，收發(fā)器的開/關(guān)可以由程序控制。

1.2 nRF9E5收發(fā)器模式

與nRF401和nRF903不同，nRF9E5使用SPI接口進行MCU和無線模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。這部分是在nRF9E5芯片中的8051內(nèi)核和nRF905射頻收發(fā)器之間完成的。在NR9E5芯片中的8051內(nèi)核和nRF905射頻收發(fā)器之間完成。在nRF905芯片中的8051內(nèi)核和nRF905射頻收發(fā)器之間完成。nRF9E5的收發(fā)器有三種工作模式:ShockBurst接收(RX)模式、ShockBurst發(fā)送(TX)模式和空空閑模式。當(dāng)收發(fā)器處于空空閑模式時，微控制器仍在運行。

NRF9E5利用北歐VLSI公司ShockBurst的特性進行高速數(shù)據(jù)傳輸。與射頻數(shù)據(jù)相關(guān)的協(xié)議由nRF9E5芯片中的nRF9E5收發(fā)器自動處理。NR9E5只能通過簡單的SPI接口與nRF9E5進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣热Q于SPI接口的速度，可以在nRF9E5芯片的8051內(nèi)核中進行配置。ShockBurst實現(xiàn)了低速數(shù)據(jù)輸入和高速數(shù)據(jù)輸出，從而降低了系統(tǒng)的平均能耗。在ShockBurst接收模式下，當(dāng)接收到具有有效地址的RF數(shù)據(jù)包時，地址匹配寄存器位(AM)和數(shù)據(jù)就緒寄存器位(DR)通知片內(nèi)MCU讀出數(shù)據(jù)。在ShockBurst傳輸模式下，nRF9E5會自動為要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)添加前綴和CRC校驗。發(fā)送數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)就緒寄存器位(DR)將通知MCU數(shù)據(jù)已經(jīng)處理完畢。

當(dāng)系統(tǒng)沒有傳輸和任務(wù)時，進入空空閑模式，nRF9E5在空空閑模式下有任務(wù)要處理時，可以在短時間內(nèi)進入ShockBurst接收模式和ShockBurst發(fā)送模式。空在空閑模式下，晶振仍然工作，配置字中的內(nèi)容不會丟失。

1.3載波檢測

在ShockBurst接收模式下，當(dāng)nRF9E5工作通道的射頻載波出現(xiàn)時，載波檢測引腳(CD)置高，可以很好的避免相同工作頻率下不同發(fā)射機數(shù)據(jù)包之間的碰撞。當(dāng)收發(fā)器準(zhǔn)備好發(fā)送數(shù)據(jù)時，它首先進入接收模式，并檢測工作信道是否空空閑。載波檢測的標(biāo)準(zhǔn)一般比靈敏度低5dB，比如靈敏度為-100dBm，載波檢測功能檢測載波低至-105dBm。也就是說，如果載波低于-105dBm，載波檢測信號為低(一般為0)高于-95dBm，載波檢測信號為高(一般為VDD)，在-105到95dBm之間，載波檢測信號可能為低也可能為高。

2無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)組成

有三種無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng):點對點、點對多點和多點對多點。由于實際應(yīng)用的需要，該系統(tǒng)由一臺PC機、一臺主接收機和若干數(shù)據(jù)終端組成。主接收機和數(shù)據(jù)終端之前的數(shù)據(jù)傳輸通過nRF9E5進行，構(gòu)成一個點對多點的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。在整個系統(tǒng)中，PC機與數(shù)據(jù)終端之間的無線通信采用433MHz作為載波頻率。為了避免同頻干擾問題，系統(tǒng)采用TDMA(時分多址)通信技術(shù)。主接收器通過逐一掃描檢測各數(shù)據(jù)終端是否收發(fā)通信請求或其他任務(wù)；終端使用中斷方式處理主接收器發(fā)送的地址信息，如果與本地地址匹配則執(zhí)行命令。這樣，上位機與數(shù)據(jù)終端之間的通信就轉(zhuǎn)化為主接收機與數(shù)據(jù)終端之間的通信，以及PC機與主接收機之間通過串口(USB或UART)的通信。整個無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2通信協(xié)議

通信協(xié)議是雙方為實現(xiàn)信息交換而制定的規(guī)則。該系統(tǒng)采用時分多址通信技術(shù)，將點對多點的通信轉(zhuǎn)化為點對點的通信，因此在信源和信宿建立通信連接時必然會涉及到地址匹配問題。因為主接收器和數(shù)據(jù)終端之間的通信可能受到其他數(shù)據(jù)終端或外部環(huán)境的干擾，所以可能發(fā)生錯誤。因此，需要通信協(xié)議來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

nRF9E5只有一種協(xié)議格式，其中前綴是數(shù)據(jù)。設(shè)備地址包括本地計算機的地址和主接收器的地址。CRC校驗可以用8位或16位進行。

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)

3.1系統(tǒng)硬件

圖3是無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中主接收機的硬件示意圖。終端的硬件原理與圖3類似，只是沒有與PC連接的串口，GPIO口與A/D轉(zhuǎn)換slogan對應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入端連接，如溫度傳感器、中斷信號等。ANT1和ANT2是天線連接引腳，可以使用PCB環(huán)形差分天線。晶體振蕩器的工作頻率為16MHz。2Aa320是EEPROM。nRF9E5上電后，系統(tǒng)根據(jù)引導(dǎo)程序?qū)?5AA320中和程序代碼復(fù)制到nRF9E5的4KB RAM中。LM1117是電源管理模塊，它將5V電平轉(zhuǎn)換為nRF9E5可用的3.3V。MAX3232CSE是一款用于nRF9E5串口與PC串口通信的電平轉(zhuǎn)換芯片。從圖3可以看出，用nRF9E5設(shè)計無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)非常方便。NR9E5的外形尺寸很小，在外形尺寸要求非常嚴(yán)格的情況下更多使用NR9E5。

3.2系統(tǒng)軟件

無線數(shù)據(jù)傳輸主要由無線數(shù)據(jù)終端、主接收機和PC機組成，PC機通過串口與主接收機通信。整個系統(tǒng)的所有部分都服務(wù)于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。因此，在整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計中，無線數(shù)據(jù)傳輸是最重要的部分。如圖4和圖5所示，是無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖瞻l(fā)流程。軟件應(yīng)根據(jù)通信協(xié)議進行設(shè)計，并考慮數(shù)據(jù)的糾錯。錯誤檢測可以采用CRC校驗8位或16位模式。在圖4和圖5中，TRX_CE發(fā)送和接收使能寄存器位，DR是數(shù)據(jù)準(zhǔn)備寄存器位，AM是地址匹配寄存器位，AUTO_RETRAN是自動重傳寄存器位。

結(jié)論4

利用nRF9E5片上射頻無線系統(tǒng)，很容易實現(xiàn)體積小、穩(wěn)定性高的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，并可根據(jù)使用需要選擇433/868/915MHz三個工作頻段。nRF9E5芯片上的UART便于與PC進行串行通信，芯片上的A/D轉(zhuǎn)換器便于數(shù)據(jù)采集。借助nRF9E5的ShockBurst技術(shù)和電源監(jiān)控技術(shù)，無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的功耗更低，在設(shè)計中編寫更少的程序代碼來省電。

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