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单片射频收发器nRF905及其应用
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。
1. 引言
nRF905 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、科学和医学)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。
芯片特点如下：
载波监测输出CD（Carry Detect） ----------------避免无线通信碰撞
地址匹配输出AR（Address Match）--------------易于点对多点无线通信设计
数据接收就绪DR（Data Ready）---------------便于节能设计，满足低功耗设计要求
1， 430/868/915Mhz高性能单片式无线收发芯片，1.9～3.6V低电压工作，待机功耗2uA，全部高频元件集成
2， 最大发射功率+10dBm，高抗干扰GFSK调制，速率100kbps，独特的载波监测输出，地址匹配输出，就绪输出
3， 内置完整的通信协议和CRC，只需通过SPI即可完成所有的无线收发传输，无线通信如同SPI通信一样方便
4， nRF9E5内置高性能增强型51单片机(4 clock)，内带4路ADC 12bit高速采样，单片机全速运行功耗1mA@4M
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信息。
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。
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