系统级RF收发芯片nRF24E1及其在无线键盘中的应用

nRF24E1 收发器是Nordic VLSI推出的系统级射频芯片。采用先进的0.18μm CMOS工艺、6×6mm的36引脚 QFN封装，以nRF2401 RF芯片结构为基础，将射频、8051MCU、9输入10位ADC、125通道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到单芯片中，内部有电压调整器（工作电压1.9～3.6V，推荐工作电压为3.3V)和VDD电压监视，通道开关时间小于200μs，数据速率1Mbps，最大射频输出分贝数 0dB，不需要外接SAW(声表)滤波器。nRF24E1是全球最早推出且全球通用的收发频段为2.4GHz的、完整的低成本射频系统级芯片。适用于无线键盘和鼠标、无线手持终端、无线频率识别、数字视频、遥控和汽车电子及其他短距离无线高速方面的应用。

1 nRF24E1简介

1.1 微处理器

nRF24E1微处理器的指令系统与工业标准8051的指令系统兼容，但二者的指令执行时间稍有不同。通常，nRF24E1的每条指令执行时间为 4～20个时钟周期，而工业标准8051的每条指令执行时间为12～48个时钟周期。nRF24E1比工业标准8051增加了ADC、SPI、RF接收器 1、RF接收器2和唤醒定时器5个中断源；3个与8052一样的定时器。nRF24E1内含有1个与8051相同的UART，在传统的异步通信方式下，可用定时器1和定时器2作为UART(串口)的波特率发生器。为了便于和外部RAM区进行数据传递，nRF24E1的CPU还集成2个数据指针，其微控制器的时钟直接来源于晶振。nRF24E1功能模块图如图1所示。

微处理器中有256B的数据RAM和512B的ROM。上电复位或软件复位后，处理器自动执行ROM中引导区中的代码。用户程序通常是在引导区的引导下，从E2PROM加载到1个4KB的RAM中(该RAM也可作存储数据用)。如果应用中不用掩膜ROM（即内含的ROM），程序代码必须从外部非易失性存储器中加载。比较常见的是通过SPI接口扩展E2PROM，型号推荐为25320。

与标准8051相比，因nRF24E1的微控制器增加了一些新的功能，因此也相应地增加了一些特殊功能寄存器来对这些新增的功能进行控制。新增的特殊功能寄存器有RADIO(P2)、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY等。 nRF24E1的微控制器中，P0和P1口的寄存器也和标准8051的有所不同，其他特殊功能寄存器与标准8051的相同。

1.2 PWM和SPI接口

nRF24E1有一个可编程控制的PWM输出，使用时，通过程序可改变DIO9(即P0.7)的功能，并可编程决定PWM工作于6位、7位或8位。

SPI的3个口与GPIO(DIN0、DIO0、DIO1)和RF收发器重用。SPI硬件不产生任何片选信号，通常，用GPIO的位(P0口)作为外部SPI设备的片选口。

1.3 RTC唤醒定时器、WTD和RC振荡器

nRF24E1内有一个低功耗的RC振荡器，当VDD≥1.8V时，可连续工作，和应用程序无关。RTC唤醒定时器和WTD(看门狗)为2个16位可编程定时器，它们的工作时钟为RC振荡器的LP_OSC。唤醒定时器和看门狗的定时时间约为300μs～80ms，默认值为10ms。

1.4 A/D转换器

nRF24E1内有9通道10位ADC，线性转换时间为每10位48个CPU指令周期。A/D转换器的9个输入可通过软件进行选择，通道0～7可以把对应引脚AIN0～AIN7上的电压值转换为数字值，通道8用于对nRF24E1工作电压的监控。A/D转换器默认工作于10位方式，可通过软件使其工作于 6位、8位或12位方式。

1.5 无线收发器

nRF24E1收发器通过内部并行口或内部SPI口与其他模块进行通信，其功能与单片射频收发器nRF2401相同。DuoCeiver接收器输出的数据准备信号，可通过程序使其成为微处理器的中断信号或通过GPIO口传给CPU。nRF2401工作于全球开放的2.4G～2.5GHz频段。收发器由1个完整的频率合成器、1个功率放大器、1个调节器和2个接收器组成。输出功率、频道和其他射频参数可通过对特殊功能寄存器RADIO（0xA0）编程进行控制。发射模式下，射频电流消耗仅为10.5mA，接收模式下为18mA(可通过程序控制收发器的开/关来节能）。

2 无线键盘的基本知识

无线键盘使用无线的方式在键盘与PC间进行通信，其中的无线模块一般用射频技术或蓝牙技术来实现。由于蓝牙技术协议复杂、成本高和开发周期长，所以，目前的许多无线键盘都是用射频技术来实现无线连接。在射频领域，挪威Nordic VLSI公司的射频芯片的性能非常出众，其产品主要有nRF401系列、nRF903系列、nRF2401系列和nRF24E1系列。本文介绍的即是采用 nRF24E1来实现无线键盘的设计方法。

无线键盘大部分都由电池供电，所以需要用到许多节能技术。基于节能的目的，许多无线键盘没有使用有线键盘上的"Num Lock"、"Caps Lock"、"Scroll Lock"这3个LED指示灯。另外，无线键盘应该合理有效地使用RF模块，从键盘到PC的RF数据包可能包含多达8个的击键信息。键盘扫描矩阵约每秒钟扫描500次，一般每个扫描周期内，所检测到的击键不多于1个。因为人感觉不到150ms的检测延时，所以，当键盘检测到1个击键和发送RF数据包到PC 后，可以空闲150ms以上的时间，直到有下一个按键被按下，这样可以尽量减少RF模块的工作时间[2]。

对于只需要发送数据的键盘，使用nRF24E2即能满足一般键盘的需要。如果要求键盘不仅能够发送信息而且还要接收PC机反馈信息，则需要使用nRF24E1来做键盘中的无线模块。双向收发更利于实现密码编制、数据包重发和当系统关闭时键盘处于节能状态。