新型高速无线射频器件nRF24L01及其应用

1 nRF24L01概述

nRF24.L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz～2.5 GHz ISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。

nRF24L01主要特性如下：

GFSK调制：
硬件集成OSI链路层；
具有自动应答和自动再发射功能;
片内自动生成报头和CRC校验码；
数据传输率为l Mb/s或2Mb/s；
SPI速率为0 Mb/s～10 Mb/s；
125个频道；
与其他nRF24系列射频器件相兼容；
QFN20引脚4 mm×4 mm封装；
供电电压为1.9 V～3.6 V。  

2 引脚功能及描述

nRF24L01的封装及引脚排列如图1所示。各引脚功能如下：
  

CE：使能发射或接收；
CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01：
IRQ：中断标志位；
VDD：电源输入端；
VSS：电源地：
XC2，XC1：晶体振荡器引脚；
VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8 V；
ANT1,ANT2：天线接口;
IREF：参考电流输入。  

3 工作模式

通过配置寄存器可将nRF241L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表1所示。


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空闲模式1主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；空闲模式2则是在当发射堆栈为空且CE=1时发生(用在PTX设备)；在空闲模式下，配置字仍然保留。

在掉电模式下电流损耗最小，同时nRF24L01也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。  

4 工作原理

发射数据时，首先将nRF24L01配置为发射模式：接着把地址TX_ADDR和数据TX_PLD按照时序由SPI口写入nRF24L01缓存区，TX_PLD必须在CSN为低时连续写入，而TX_ADDR在发射时写入一次即可，然后CE置为高电平并保持至少10μs，延迟130μs后发射数据；若自动应答开启，那么nRF24L01在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS置高，同时TX_PLD从发送堆栈中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC_CNT)达到上限，MAX_RT置高，TX_PLD不会被清除；MAX_RT或TX_DS置高时，使IRQ变低，以便通知MCU。最后发射成功时,若CE为低则nRF24L01进入空闲模式1；若发送堆栈中有数据且CE为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE为高，则进入空闲模式2。

接收数据时,首先将nRF24L01配置为接收模式，接着延迟130μs进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC时，就将数据包存储在接收堆栈中，同时中断标志位RX_DR置高，IRQ变低，以便通知MCU去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE变低，则nRF24L01进入空闲模式1。  

5 配置字

SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。

nRF24L0l所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。nRF24L01的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表2所示。  
  
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6 应用电路设计

笔者用单片机和nRF24L01设计了一个无线数据传输电路，并通过串口将数据传输至计算机。硬件电路设计如图2所示。

图2中发射和接收电路相同。使用时需在接收端加一个RS232接口，使其与计算机串口连接，将接收到的数据传送至计算机。该电路的工作原理：首先使接收电路上电，接着便处于接收状态等待数据的到来；然后运行VB程序，点击接收按钮；最后发射电路上电，并将单片机RAM内预先存放的数据"20H"发射出去，在1 ms内接收电路收到数据，同时VB界面显示出接收到的数据。该电路实现了PC机与单片机系统之间的无线通信。
  

系统软件控制流程如图3所示。   


7 结束语

详细介绍了nRF24L01的引脚结构、工作模式、收发原理以及配置字，并以nRF24L01为核心设计了无线数据传输电路，结合RS232接口，实现了计算机与单片机系统之问的无线通信，为以后传输大量数据奠定了基础。另外，还应该考虑到速率和误码等其他因素。