射頻SOC NRF9E5及無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

1、.精品.射頻soc nrf9e5及無(wú)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)用nrf9e5進(jìn)行無(wú)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)。 關(guān)鍵詞：nrf9e5 射頻soc 數(shù)據(jù)傳輸 無(wú)線通信 51系列引言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)

2、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1.93.6v的工作電壓，qfn55mm封裝，載波檢測(cè)。nrf9e5符合美國(guó)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(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。圖11 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

3、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(lái)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(hù)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）、adcco

4、n、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wtdnrf9e5內(nèi)有一個(gè)低頻的時(shí)鐘cklf，該時(shí)鐘常開(kāi)。當(dāng)晶振開(kāi)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vdd1.8v，其連續(xù)工作。rtc喚醒定時(shí)器、wtd（看門(mén)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

5、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300s80ms，默認(rèn)為1ms。rtc喚醒定時(shí)器也能作gpio的輸出源，也就是說(shuō)，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。!-empirenews.page-（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(lái)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

6、口的miso、sck和mosi與p1口的低3位重用，通過(guò)寄存器spi_ctrl控制來(lái)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(lái)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(guò)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(guò)軟件進(jìn)行選擇，通道03可以把對(duì)應(yīng)引腳ain0ain3上的電壓值分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，通道4用于對(duì)nrf9e5工作電壓的監(jiān)控。a/d轉(zhuǎn)換器默認(rèn)工作

7、于10位方式，可通過(guò)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(guò)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(guò)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(cè)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(guò)對(duì)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

8、過(guò)程序控制收發(fā)器的開(kāi)/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(wú)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。nrf9e5使用nordic vlsi公司的shockburst的特性，進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳

9、輸。與射頻數(shù)據(jù)相關(guān)的協(xié)議由nrf9e5片內(nèi)的nrf9e5收發(fā)器自動(dòng)處理。nrf9e5只用簡(jiǎn)單的spi接口便能和nrf9e5進(jìn)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，這個(gè)可以在nrf9e5片內(nèi)8051內(nèi)核中進(jìn)行配置。shockburst實(shí)現(xiàn)低速數(shù)據(jù)輸入，高速數(shù)據(jù)輸出，從而降低了系統(tǒng)的平均能耗。在shockburst接收方式下，當(dāng)收到一個(gè)有效地址的射頻數(shù)據(jù)包時(shí)，地址匹配寄存器位（am）和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好寄存器位（dr）通知片內(nèi)mcu把數(shù)據(jù)讀出。在shockburst發(fā)送方式下，nrf9e5自動(dòng)給要發(fā)送的數(shù)據(jù)加上前綴和crc校驗(yàn)。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好寄存器位（dr）會(huì)通知mcu數(shù)據(jù)已經(jīng)處理

10、完畢。當(dāng)系統(tǒng)沒(méi)有發(fā)送和任務(wù)時(shí)，其進(jìn)入空閑方式，nrf9e5在空閑方式下，一旦有任務(wù)要處理時(shí)，其能夠在很短的時(shí)間內(nèi)就進(jìn)入shockburst接收方式和shockburst發(fā)送方式?？臻e方式下，晶體振蕩器依然工作，配置字中的內(nèi)容不至于丟失。!-empirenews.page-1.3 載波檢測(cè)在shockburst接收方式下，當(dāng)出現(xiàn)nrf9e5工作信道內(nèi)的射頻載波時(shí)，載波檢測(cè)引腳（cd）被置高，這個(gè)特性很好的避免了同一工作頻率下不同發(fā)射器數(shù)據(jù)包之前的碰撞。當(dāng)收發(fā)器準(zhǔn)備發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，它首先進(jìn)入接收方式并探測(cè)所工作的信道是否空閑。載波檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)一般比靈敏度低5db，比如，靈敏度為-100dbm，載波檢測(cè)功

11、能探測(cè)低至-105dbm的載波。也就是說(shuō)，載波低于-105dbm，載波檢測(cè)信號(hào)為低（一般為0），高于-95dbm，則載波12下一頁(yè) 檢測(cè)信號(hào)為高（一般為vdd），介于-10595dbm之間，載波檢測(cè)信號(hào)可能為低也可能為高。2 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)2.1 系統(tǒng)組成無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)和多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)三種。本系統(tǒng)由于實(shí)際應(yīng)用的需要，由于位pc機(jī)，主接收器和多臺(tái)數(shù)據(jù)終端組成。主接收器和數(shù)據(jù)終端之前的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)nrf9e5進(jìn)行，構(gòu)成點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)多無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)中，pc機(jī)和數(shù)據(jù)終端之間的無(wú)線通信采用433mhz的頻段作為載波頻率。為了避免同頻干擾的問(wèn)題，系統(tǒng)采用tdma（time div

12、ision multiple access）通信技術(shù)。主接收器采用逐一掃描的方式探測(cè)各個(gè)數(shù)據(jù)終端有沒(méi)有收發(fā)通信請(qǐng)求或其它任務(wù)；數(shù)據(jù)終端則采用中斷方式，對(duì)主接收器發(fā)出的地址信息進(jìn)行處理，若與本機(jī)地十相符則執(zhí)行命令。由此可見(jiàn)，上位pc機(jī)與數(shù)據(jù)終端的通信轉(zhuǎn)化為主接收器與數(shù)據(jù)終端間的通信，以及pc機(jī)與主接收通過(guò)串口（usb或uart）間的通信。整個(gè)無(wú)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)議是通信雙方為實(shí)現(xiàn)信息交換而制定的規(guī)則。本系統(tǒng)采用時(shí)分多路訪問(wèn)通信技術(shù)（tdma），將點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式轉(zhuǎn)化為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，因此必然涉及信源與信宿之間建立通信連接時(shí)的地址匹配問(wèn)題。由于主接收器與數(shù)據(jù)終端

13、之間的通信可能會(huì)受到其它數(shù)據(jù)終端或外界環(huán)境的干擾而發(fā)生錯(cuò)誤，因此，需要通信協(xié)議來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。nrf9e5只有一種協(xié)議格式，其中的前綴也就是數(shù)據(jù)，設(shè)備地址包括本機(jī)的地址和主接收器的地址，crc校驗(yàn)可進(jìn)行選8位或16位。3 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)3.1 系統(tǒng)硬件圖3為無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)中主要接收器的硬件原理圖。數(shù)據(jù)終端的硬件原理與圖3類(lèi)似，只不過(guò)沒(méi)有與pc機(jī)相接的串口部分，并且gpio口和a/d轉(zhuǎn)換口號(hào)相應(yīng)的數(shù)據(jù)輸入端相連，如溫度傳感器和中斷信號(hào)等。ant1和ant2為天線連接引腳，可采用pcb 環(huán)形差分天線，晶振工作頻率為16mhz。25aa320為eeprom，在nrf9e5上電后，系統(tǒng)根

14、據(jù)引導(dǎo)程序，把25aa320中和程序代碼拷貝到nrf9e5的4kb ram中。lm1117為電源管理模塊，把5v電平轉(zhuǎn)化為nrf9e5可用的3.3v。max3232cse為nrf9e5串口與pc串口間通信的電平轉(zhuǎn)換芯片。由圖3可知，用nrf9e5進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)非常方便。nrf9e5的外形尺寸非常小，在對(duì)外形尺寸要求很?chē)?yán)格的場(chǎng)合，nrf9e5更使用。!-empirenews.page-3.2 系統(tǒng)軟件無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸主要由無(wú)線數(shù)據(jù)終端、主接收器和pc機(jī)組成，pc機(jī)與主接收器間用串行口通信。整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分都是服務(wù)于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸這個(gè)目的。所以，在整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸為最主要部分。如圖4和圖5所示，是無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕邮蘸桶l(fā)送流程。軟件設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)通信協(xié)議并考慮數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)，檢錯(cuò)可采用crc校驗(yàn)8位或16位方式。在圖4、圖5中，trx_ce發(fā)送和接收使能寄存器位，dr為數(shù)據(jù)準(zhǔn)備寄存器位，am為地址匹配寄存器位，aut