系统级RF收发芯片nRF24E1及其在无线键盘中的应用

1、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0.18卩m CMOS工艺、 6X6mm的36引脚 QFN封装，以n RF2401 RF芯片结构为基础，将射频、8051MCU、93.3V）和VDD电压监视，通道开关OdB，不需要外接SAW（声表）2.4GHz的、完整的低成本射输入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1.93.6V，推荐工作电压为 时间小于200s,数据速率1Mbps，最大射频输出分贝数 滤波器。nRF24E1是全球最早

2、推出且全球通用的收发频段为 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 n RF24E1 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420个时钟周期，而工业标准8051的每条指令执行时间为 1248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，

3、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。 I巧 ；料些|居I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SPI接口扩展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E2PROM，

4、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

5、。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VD 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300“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

6、转换器的9个输入可通过软件进行选择，通道 07可以把对应引脚 AIN0AIN7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 2.4G2.5GHzRADIO （0xA0 ）编程进行控制。18mA（可通过程序控制收发器的开频

7、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 发射模式下，射频电流消耗仅为10.5mA ,接收模式下为/关来节能）。2无线键盘的基本知识其中的无线模块一般用 射频技术或无线键盘使用无线的方式在键盘与PC间进行通信，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n RF2

8、4E1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

9、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。3 nRF24E1在无线键盘中的应用3.1键盘扫描矩阵nRF24E1与无线键盘的接口方式如图2所示。普通PC键盘的按键是104个，而图2所示的键盘矩阵为 8行20列，最多可定义160个按键开关。设计过程中，其中的某些按键 可以不进行定义。每个按键布置在行列交接处，当按键被按下时，与该按键相接的行和列即被短接。为了进行键盘矩阵扫描，n RF24E1按时序把列扫描信号送到移位

10、寄存器。列扫描信号由1个“0和19个“ 1组成，“（在移位寄存器中逐位往后移，每移动 1次，键盘行的状 态就被扫描1次。如果此列的某按键被按，则与该按键相对应的行值为“ Q”其他的为“ 1。” )1f -、 *V /气r .I-1丄l .4,r/4i. /I r、r咒r八)f|j LJ囂f 1 -;-、 /1kJ-J I九*- cJ kr |J .-J | r/ kj /J L1 Lf2 tT JZ 1J q? Ii r 1.F/ k, /|j-/* L:IJ L、丄 h f丿 ff 1r i /I Lf tFJ* TT片V /J hS. h J严八吐J-丿i，-J J :厂fp、rt,丿尸t

11、r ffa ! k wJ IX / fJ t丄tJ kJ IJ VJ LJ J k-rIJ k、kjLJI -rt尸*1B 1+八, fc zJ Mb応卩Lh fJ JY dJ 1i iP 、/* tY JJ (J “、.“l 1*弋J JIf -J1J、J LJ、y -J LJ.J-b1J:IV_r-J-r_”1_rH_driz :H ,1 -_兰!I ntt i在键盘扫描的过程中，按键可能会出现抖动，因此编写软件时应该考虑到去抖动问题。 常用的去抖动方法：一旦系统检测到某按键被按下，则延时3050ms后再去检测该按键。如果此时检测到的该按键状态还是被按下状态，就把该按键当作被按下一次处理。

12、3.2系统软件nRF24E1 有 4KB 的片内 RAM ，这对于键盘软件已经够用。系统上电后， E2PROM 中 的程序自动下载到该 4KB 的 RAM 中， MCU 即可直接对 RAM 中的代码进行读写。键盘软件的功能：(1) 提供移位寄存器所需要的列扫描信息。(2) 读出行扫描值。PC。(3) 检测按键被按下和去抖动。(4) 发送扫描到的被按下按键的信息到(5) 节能状态循环。无线键盘应该使用节能技术以延长电池的寿命。 nRF24E1 片内 nRF2401 的ShockBurstTM 技术是为用户节能设计的， 所以设计人员在编写软件时可以不考虑节能问题。 但是，设计人员应该考虑在系统空闲

13、时怎样进一步减小电流。nRF2401 的晶振为 16MHz 时，其片内的 8051 内核工作电流为 3mA 。由于键盘是周 期性工作的，相对工作时间来说，键盘的空闲时间很长。所以，当键盘不工作时，有必要把 片内8051设为空闲状态，且片内8051空闲状态的工作电流只有2* 用此来减小电池消耗。系统在空闲状态和工作状态时的任务分述如下。空闲状态：( 1)完成所有的键盘扫描 (约需要 0.5ms) 。 2)如果有按键被按下，则进入工作状态。3 )把 8051 设为空闲状态，同时 RTC 的唤醒时间设为 20ms 。 4)空闲状态循环。工作状态：PC。每秒钟扫描键盘 500 次。 发送所有的按键信息给 如果 10 秒钟内没有按键被按下，则进入空闲状态。 工作状态循环。一般来说， 按照上述方法考虑电池节能的问题， 可以使电池的寿命提高约 40 倍。所以， 在系统软件设计