基于RF芯片nRF401的无线数传模块设计
所设计的无线数传模块由单片射频收发芯片NRF401、AT89C52微控制器和MAX3316接口芯片构成,工作在433.92/434.33MHz频段;可方便地嵌入在各种测量和控制系统中进行无线数据传输,在车辆监控、无线抄表、无线232数据通信、计算机遥控遥测系统中应用。
nRF401是北欧集成电路公司(NORDIC)的产品,是一个为433MHz ISM频段设计的真正单片UHF无线收发芯片,满足欧洲电信工业标准(ETSI)EN300 200-1 V1.2.1。它采用FSK调制解调技术,最高工作速率可以达到20K,发射功率可以调整,最大发射功率是+10dBm。nRF401的天线接口设计为差分天线,以便于使用低成本的PCB天线。它要求非常少的外围元件(约10个),无需声表滤波器、变容管等昂贵的元件,只需要便宜且易于获得的4MHz晶体,收发天线合一。无需进行初始化和配置,不需要对数据进行曼彻斯特编码,有两个工作频宽(433.92/434.33MHz),工作电压范围可以从2.7-5V,还具有待机模式,可以更省电和高效。
nRF401无线收发芯片的结构框图如图1所示:内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功耗控制逻辑电路及串行接口几部分。发射电路包含有:射频功率放大器、锁相环(PLL),压控振荡器(VCO),频率合成器等电路。基准振荡器采用外接晶体振荡器,产生电路所需的基准频率。
其主要特性如下:
工作频率为国际通用的数传频段
FSK调制,抗干扰能力强,特别适合工业控制场合;
采用PLL频率合成技术,频率稳定性极好;
灵敏度高,达到-105dBm(nRF401);
功耗小,接收状态250 A,待机状态仅为8 A(nRF401);
最大发射功率达 +10dBm ;
低工作电压(2.7V),可满足低功耗设备的要求;
具有多个频道,可方便地切换工作频率 ;
工作速率最高可达20Kbit/s(RF401);
仅外接一个晶体和几个阻容、电感元件,基本无需调试;
因采用了低发射功率、高接收灵敏度的设计,使用无需申请许可证,开阔地的使用距离最远可达1000米 (与具体使用环境及元件参数有关)。
引脚排列和功能
nRF401无线收发芯片具有20个引脚。
重要时序参数
TX与RX之间的切换
当从RX切换到TX模式时,数据输入脚(DIN)必须保持为高至少1ms才能收发数据。当从TX切换到RX时,数据输出脚(DOUT)要至少3ms以后有数据输出。
Standby与RX之间的切换
从待机模式到接收模式,当PWR_UP输入设成1时,经过tSR时间后,DOUT脚输出数据才有效。对 nRF401来说,tST最长的时间是3ms。
从待机模式到发射模式,所需稳定的最大时间是tST。
Power Up与TX间的切换
从加电到发射模式过程中,为了避免开机时产生干扰和辐射,在上电过程中TXEN的输入脚必须保持为低,以便于频率合成器进入稳定工作状态。当由上电进入发射模式时,TXEN必须保持1ms以后才可以往DIN发送数据。
从上电到接收模式过程中,芯片将不会接收数据,DOUT也不会有数据输出,直到电压稳定达到2.7V以上,并且至少保持5ms。如果采用外部振荡器,这个时间可以缩短到3ms。
应用电路及设计应注意问题
在实际应用中,微控制器采用Atmel公司的AT89C52,分别用单片机的P1口各管脚控制nRF401的DIN、DOUT、TXEN、PWRUP、CS这五个脚即可。
接口芯片采用美信公司的RS232转换芯片MAX3316,完成单片机和计算机RS232接口的电平转换及数据发送、接收、请求、清除功能。关于此芯片的使用可参见其手册。
在nRF401芯片使用时,设定好工作频率,进入正常工作状态后,通过单片机根据需要进行收发转换控制,发送/接收数据或进行状态转换。在实际的设计应用中,需要注意以下几个问题:
1)天线的接入
ANT1和ANT2是接收时LNA的输入,以及发送时功率放大器的输出。连接nRF401的天线是以差分方式连接到nRF401的。在天线端推荐的负载阻抗是400欧姆,射频功率放大器输出是两个开路输出三极管,配制成差分配对方式,功率放大器的VDD必须通过集电极负载,当采用差分环形天线时,VDD必须通过环形天线的中心输入。
2)与单片机共用一个晶振
nRF401可以与单片机共用一个晶振,需要注意从单片机引入的晶体走线不能离数据线或者控制线太近。
PCB布局和去耦设计 印刷电路板(PCB)的设计直接关系到射频性能,为了获得较好的RF性能,PCB设计至少需要两层板来实现,PCB分成射频电路和控制电路两部分布置。nRF401采用PCB天线,在天线的下面没有接地面。射频部分的电源与数字电路部分的电源分离。
为了减少分布参数的影响,在PCB应该避免长的电源走线,所有元件地线,VDD连接线,VDD去耦电容必须离nRF401尽可能的近。nRF401的电源必须经过很
模块 设计 无线 nRF401 RF 芯片 基于 相关文章:
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