基于ANT协议的无线收发器nRF24AP1及其应用

1 nRF24AP1简介

nRF24AP1是针对无线个人网络(PAN)互连的单片式嵌入协议栈的超低功耗无线收发器，工作在2.4 GHz ISM频段。它支持点对点、点对多点通信，具有125个频点，空中接口的最高传输速率可达到1 Mb／s，实际用户数据速率可达20 Kb／s。采用SoC方法设计，只需少量外围元件便可组成射频收发电路。ANT协议集成在器件内部．参数全部通过串口消息配置，应用方便，缩短了开发周期。

2封装与引脚功能

nRF24AP1采用5 mm×5 mm的24引脚QFN封装，它的引脚排列如图1所示(顶视图)。其引脚功能如表1所列。

 
3 内部结构

nRF24AP1的内部结构如图2所示。它包含异步串行接口UART、时钟模块、ANT协议机和1 Mb／s的射频收发信机等4个模块。nRF24AP1可通过简单的同步或异步串口实现与外部主机的通信，也可将nRF24AP1看作一个黑盒的无线解决方案，无需深入理解物理层和协议，仅需通过串口配置信道参数，就可发送或接收数据消息。nRF24AP1执行配置任务，并通过空中接口完成与其他设备间的消息包的发送与接收。

 
4工作模式

nRF24AP1直接与单片机的串口连接，可以通过配置不同参数实现工作模式选择。在异步串口工作模式时，端口选择模式引脚PORTSEL置为低电平，速度设置引脚BR2、BR1设定不同组合，得到所需的异步串口的波特率，如表2所示。另外，异步串口控制引脚RTS具有控制数据传输作用，当每次接收正确格式的消息后约50μs，RTS信号置为低电平，MCU向nRF24AP1传输数据。当RTS信号置为高电平，MCU不再向nRF24AP1传输任何数据，直到RTS被恢复为低电平。而nRF24AP1向MCU传输数据，由于nRF24AP1不具备流控制功能，要求外部MCU能随时接收数据。

nRF24AP1具有"休眠"和"待机"两种低功耗工作模式。在不需要串口通信时将SLEEP信号置为高电平，使nRF24AP1进入休眠状态达到省电目的。当SLEEP信号置为低电平时，nRF24AP1处于准备接收串口数据状态，此时nRF24AP1不会进入待机模式。不论nRF24AP1处于何种工作模式下，只要将待机模式控制引脚SUSPEND置为低电平，nRF24AP1将立即中断所有射频和串口操作，进入省电状态。但进入与退出待机工作模式还需要SLEEP信号的配合。只有在SLEEP引脚置为高电平时，待机模式控制引脚SUSPEND置为低电平才能有效。而退出待机工作模式时，只有将SLEEP信号重新置为低电平。

5在智能家居中的应用

内嵌ANT协议的nRF24AP1无线收发器适用于短距离无线收发模块，是智能家居、传感器网络、工业自动化、体育场监控等领域的理想解决方案。

硬件设计电路方面，处理器模块选用AVR系列的ATmega16L单片机，用于节点设备的控制、任务调度、能量计算以及功能协调，无线收发模块则选用nRF24AP1，用于节点间的数据收发，nRF24AP1与MCU之间通过异步串口方式实现通信，其工作电压为3 V，选择CR2032锂离子电池作为节点电源，时钟由16 MHz晶体提供。nRF24AP1逻辑控制引脚均由ATmega16L的I／O端口控制，通过软件灵活更改nRF24AP1的工作模式。nRF24AP1射频信号输出端口的负载阻抗为(100+i175)Ω，需要阻抗匹配电路提高通信效率。nRF24AP1在智能家居中的典型应用电路如图3所示。

根据硬件电路设计，硬件驱动实现系统各模块的初始化以及MCU与nRF24AP1之间的通信程序。系统在初始化时除了要注意根据硬件连接设置ATmega16L各通用I／O端口为所需的状态，还要根据所选的nRF24AP1工作模式，利用ATmega16L的I／O端口设置nRF24AP1的控制端口状态。MCU与nRF24AP1之间采用异步串口方式进行通信，ATmega16L片内集成有USART，简单设置后即可在异步模式下工作。异步数据以1个起始比特、8个数据比特、1个停止比特以及无奇偶校验的方式进行传输。串口接收与发送均采用中断方式，同时为发送和接收分别设置一个长度为16字节的缓冲区(buffer)，缓冲区设有单独读／写指针，并与缓冲计数器相关联。串口发送的数据首先通过调用函数putchar()写入tx_buffer，再由串口发出。接收数据时，先将接收到的数据写入rx_buffer，再根据应用需要调用函数getchar()从缓冲区中取得相应的数据，AVR串口接收中断服务程序及函数getchar()的流程图如图4所示。

6 结束语

nRF24AP1内嵌ANT协议，该协议结构简单，使用方便，加快开发进程，同时内嵌ANT协议还减少了用户开发成本。利用ANT技术可使系统具有待机和休眠两种状态，节省电能，而且ANT的时延短，反应快，系统根据需要能快速苏醒并在最短时间内完成传输，并快速回到休眠模式。而竞争者的"低功耗"技术在类