单片射频收发器nRF905及其应用_无线通信论文
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。
关键词：无线通信；射频；收发器；nrf905
1. 引言
nrf905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、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。
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。
2.2引脚介绍
表1：nrf905引脚
2.3工作模式
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。
2.3.1shockbursttm模式
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。
2.3.1.1发送流程
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；
b. 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)；
l 发送数据包；
l 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；
e. 当trx_ce被置低，nrf905发送过程完成，自动进入空闲模式。
shockbursttm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
a. 当trx_ce为高、tx_en为低时，nrf905进入shockbursttm接收模式；
b. 650us后，nrf905不断监测，等待接收数据；
c. 当nrf905检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高；
d. 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；
i. nrf905此时可以进入shockbursttm接收模式、shockbursttm发送模式或关机模式。
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
nrf905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。
3. 器件配置
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。
3.1 spi接口配置
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。
3.2射频配置
射频配置寄存器和内容如表3所示：
表3：射频配置寄存器
射频寄存器的各位的长度是固定的。然而，在shockbursttm收发过程中，tx_payload、rx_payload、tx_address和rx_address 4个寄存器使用字节数由配置字决定。nrf905进入关机模式或空闲模式时，寄存器中的内容保持不变。
4. 应用电路
nrf905在使用中，根据不同需要，其电路图不尽相同，图2所示为典型的应用原理图，该电路天线部分使用的是50Ω单端天线。在nrf905的电路板设计中，也可以使用环形天线，把天线布在pcb板上，这可减小系统的体积。更详细的设计，读者可参考nrf905的芯片手册[2]。
5. 结束语
nrf905通过spi接口和微控制器进行数据传送，通过shockbursttm收发模式进行无线数据发送，收发可靠，使用方便，在工业控制、消费电子等各个领域都具有广阔的应用前景。