nrf2401（单片射频收发芯片）

2023-08-13 03:06:44 ℃

nrf2401单片射频收发芯片

nRF2401是单片射频收发芯片，工作于2.4~2.5GHz ISM频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm的功率发射时，工作电流只有10.5mA，接收时工作电流只有18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其DuoCeiverTM技术使nRF2401可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。

中文名

单片射频收发芯片

外文名

nrf2401

产品类型

电子芯片

简介

nrf2401

nRF2401

（最新版本为nRF2401A，nRF2401AG为无铅工艺版本）是由Nordic公司出品的单芯片无线收发芯片，工作于2.4GHz～2.5GHz的全球免申请（ISM）频率。芯片包括一个完全集成的频率合成器，功率放大器，晶体振荡器和调制器。发射功率和工作频率等工作参数可以很容易的通过3线SPI端口完成。极低的电流消耗，在-5dBm的输出功率时仅为10.5mA，在接收模式时仅为18mA。掉电模式可以很容易的实现低功耗需求。

性能参数

小体积，QFN24 5x5mm封装

宽电压工作范围，1.9V~3.6V

工作温度范围，-40℃～+80℃

工作频率范围，2.400GHz～2.524GHz

数据传输速率，250Kbps、1Mbps

低功耗设计，接收时工作电流18mA，0dBm功率发射时13mA，掉电模式时仅为400uA

多通道工作模式，125个数据通道，通道切换时间≤200us，满足多点通讯和调频需要

硬件的CRC校验和点对多点的地址控制

SPI通讯端口，适合与各种MCU连接，编程简单

可通过软件设置工作频率、通讯地址、传输速率和数据包长度

MCU可通过接收完成引脚快判断是否完成数据接收

原理图

电路原理

nRF2401电路原理图

nRF2401原理图

引脚定义

nRF2401引脚定义

nrf2401

接线图

nRF2401与5V单片机的连接（只适用于高阻口）

nRF2401接线图

芯片结构

nRF2401内置地址解码器、先入后出堆栈区、解调处理器、时钟处理器、GFSK滤波器、低噪声放大器、频率合成器，功率放大器等功能模块，需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。QFN24引脚封装，外形尺寸只有5×5mm。

收发模式

nRF2401的收发模式有ShockBurstTM收发模式和直接收发模式两种，收发模式由器件配置字决定，具体配置将在器件配置部分详细介绍。

ShockBurstTM收发模式

ShockBurstTM收发模式下，使用片内的先入先出堆栈区，数据低速从微控制器送入，但高速(1Mbps)发射，这样可以尽量节能，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。与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行，这种做法有三大好处：尽量节能；低的系统费用(低速微处理器也能进行高速射频发射)；数据在空中停留时间短，抗干扰性高。nRF2401的ShockBurstTM技术同时也减小了整个系统的平均工作电流。

在ShockBurstTM收发模式下，nRF2401自动处理字头和CRC校验码。在接收数据时，自动把字头和CRC校验码移去。在发送数据时，自动加上字头和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。

ShockBurstTM发射流程

接口引脚为CE，CLK1，DATA

A. 当微控制器有数据要发送时，其把CE置高，使nRF2401工作；

B. 把接收机的地址和要发送的数据按时序送入nRF2401；

C. 微控制器把CE置低，激发nRF2401进行ShockBurstTM发射；

D. nRF2401的ShockBurstTM发射

给射频前端供电；

射频数据打包(加字头、CRC校验码)；

高速发射数据包；

发射完成，nRF2401进入空闲状态。

ShockBurstTM接收流程

接口引脚CE、DR1、CLK1和DATA(接收通道1)

A. 配置本机地址和要接收的数据包大小；

B. 进入接收状态，把CE置高；

C. 200us后，nRF2401进入监视状态，等待数据包的到来；

D. 当接收到正确的数据包(正确的地址和CRC校验码)，nRF2401自动把字头、地址和CRC校验位移去；

E. nRF2401通过把DR1(这个引脚一般引起微控制器中断)置高通知微控制器；

F. 微控制器把数据从nRF2401移出；

G. 所有数据移完，nRF2401把DR1置低，此时，如果CE为高，则等待下一个数据包，如果CE为低，开始其它工作流程。

直接收发模式

在直接收发模式下，nRF2401如传统的射频收发器一样工作。

直接发送模式

接口引脚为CE、DATA

A. 当微控制器有数据要发送时，把CE置高；

B. nRF2401射频前端被激活；

C. 所有的射频协议必须在微控制器程序中进行处理(包括字头、地址和CRC校验码)。

直接接收模式

接口引脚为CE、CLK1和DATA

A. 一旦nRF2401被配置为直接接收模式，DATA引脚将根据天线接收到的信号开始高低变化(由于噪声的存在)；

B. CLK1引脚也开始工作；

C. 一旦接收到有效的字头，CLK1引脚和DATA引脚将协调工作，把射频数据包以其被发射时的数据从DATA引脚送给微控制器；

D. 这头必须是8位；

E. DR引脚没用上，所有的地址和CRC校验必须在微控制器内部进行。

配置模式

在配置模式，15字节的配置字被送到nRF2401，这通过CS、CLK1和DATA三个引脚完成，具体的配置方法请参考本文的器件配置部分。

空闲模式

nRF2401的空闲模式是为了减小平均工作电流而设计，其最大的优点是，实现节能的同时，缩短芯片的起动时间。在空闲模式下，部分片内晶振仍在工作，此时的工作电流跟外部晶振的频率有关，如外部晶振为4MHz时工作电流为12uA，外部晶振为16MHz时工作电流为32uA。在空闲模式下，配置字的内容保持在nRF2401片内。

关机模式

在关机模式下，为了得到最小的工作电流，一般此时的工作电流小于1uA。关机模式下，配置字的内容也会被保持在nRF2401片内，这是该模式与断电状态最大的区别。

器件配置

nRF2401的所有配置工作都是通过CS、CLK1和DATA三个引脚完成，把其配置为ShockBurstTM收发模式需要15字节的配置字，而如把其配置为直接收发模式只需要2字节的配置字。由上文对nRF2401工作模式的介绍，我们可以知道，nRF2401一般工作于ShockBurstTM收发模式，这样，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高，因此，下文着重介绍把nRF2401配置为ShockBurstTM收发模式的器件配置方法。

ShockBurstTM的配置字使nRF2401能够处理射频协议，在配置完成后，在nRF2401工作的过程中，只需改变其最低一个字节中的内容，以实现接收模式和发送模式之间切换。ShockBurstTM的配置字可以分为以下四个部分：

数据宽度：声明射频数据包中数据占用的位数。这使得nRF2401能够区分接收数据包中的数据和CRC校验码；

地址宽度：声明射频数据包中地址占用的位数。这使得nRF2401能够区分地址和数据；

地址：接收数据的地址，有通道1的地址和通道2的地址；

CRC：使nRF2401能够生成CRC校验码和解码。

当使用nRF2401片内的CRC技术时，要确保在配置字中CRC校验被使能，并且发送和接收使用相同的协议。

在配置模式下，注意保证PWR_UP引脚为高电平，CE引脚为低电平。配置字从最高位开始，依次送入nRF2401。在CS引脚的下降沿，新送入的配置字开始工作。

PCB设计

PCB设计对nRF2401的整体性能影响很大，所以PCB设计在nRF2401收发系统的开发过程中主要的工作之一，在PCB设计时，必须考虑到各种电磁干扰，注意调整电阻、电容和电感的位置，特别要注意电容的位置。

nRF2401的PCB一般都是双层板，底层一般不放置元件，为地层，顶层的空余地方一般都敷上铜，这些敷铜通过过孔与底层的地相连。直流电源及电源滤波电容尽量靠近VDD引脚。nRF2401的供电电源应通过电容隔开，这样有利于给nRF2401提供稳定的电源。在PCB中，尽量多打一些通孔，使顶层和底层的地能够充分接触。

nRF2401通过ShockBurstTM收发模式进行无线数据发送，收发可靠，其外形尺寸小，需要的外围元器件也少，因此，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。

参考程序

#include

//只需要把自己单片机的I/O口接上对应

sbit MISO = P1^3;

sbit MOSI = P1^4;

sbit CK = P1^5;

sbit CE = P1^6;

sbit CSN = P3^7;

sbit IRQ = P1^2;

sbit LED2 = P3^5;

sbit LED1 = P3^4;

sbit KEY1 = P3^0;

sbit KEY2 = P3^1;

//SPI(nRF24L01)commands

#define EAD_REG 0x00 //Definereadcommandtoregister

#define ITE_REG 0x20 //Definewritecommandtoregister

#define D_RX_PLOAD 0x61 //DefineRXpayloadregisteraddress

#define LOAD 0xA0 //DefineTXpayloadregisteraddress

#define FLUSH_TX 0xE1 //DefineflushTXregistercommand

#define FLUSH_RX 0xE2 //DefineflushRXregistercommand

#define EUSE_TX_PL 0xE3 //DefinereuseTXpayloadregistercommand

#define 0xFF //DefineNoOperation,mightbeusedtoreadstatusregister

//***************************************************//

//SPI(nRF24L01)registers(addresses)

#define CONFIG 0x00 //'Config' registeraddress

#define EN_AA 0x01 //'Enable AutoAcknowledgment'registeraddress

#define EN_RXADDR 0x02 //'Enabled RXaddresses'registeraddress

#define ETUP_AW 0x03 //'Setup addresswidth'registeraddress

#define ETUP_RETR 0x04 //'Setup Auto.Retrans'registeraddress

#define F_CH 0x05 //'RF channel'registeraddress

#define F_SETUP 0x06 //'RF setup'registeraddress

#define ATUS 0x07 //'Status' registeraddress

#define BSERVE_TX 0x08 //'Observe TX'registeraddress

#define CD 0x09 //'Carrier Detect'registeraddress

#define ADDR_P0 0x0A //'RX addresspipe0'registeraddress

#define ADDR_P1 0x0B //'RX addresspipe1'registeraddress

#define ADDR_P2 0x0C //'RX addresspipe2'registeraddress

#define ADDR_P3 0x0D //'RX addresspipe3'registeraddress

#define ADDR_P4 0x0E //'RX addresspipe4'registeraddress

#define ADDR_P5 0x0F //'RX addresspipe5'registeraddress

#define ADDR 0x10 //'TX address'registeraddress

#define 0x11 //'RX payloadwidth,pipe0'registeraddress

#define 1 0x12 //'RX payloadwidth,pipe1'registeraddress

#define 2 0x13 //'RX payloadwidth,pipe2'registeraddress

#define 3 0x14 //'RX payloadwidth,pipe3'registeraddress

#define 4 0x15 //'RX payloadwidth,pipe4'registeraddress

#define 5 0x16 //'RX payloadwidth,pipe5'registeraddress

#define FIFO_STATUS 0x17 //'FIFO StatusRegister'registeraddress

//------------------------------------------------------------//写一个字节到24L01，同时读出一个字节

uchar SPI_RW(ucharbyte)

{

uchar;

for (bit_ctr=0;bit_ctr<8;bit_ctr++)//output8-bit

{

MOSI = (byte&0x80);//output'byte',MSBtoMOSI

byte = (byte<<1);//shiftnextbitintoMSB..

SCK = 1;//SetSCKhigh..

byte |= MISO;//capturecurrentMISObit

SCK = 0;//..then setSCKlowagain

}

return(byte);//returnreadbyte

}

//向寄存器reg写一个字节，同时返回状态字节

uchar SPI_RW_Reg(BYTEreg,BYTEvalue)

{

uchar status;

CSN = 0;//CSNlow, initSPItransaction

status = SPI_RW(reg);//selectregister

SPI_RW(value);//..and writevaluetoit..

CSN = 1;//CSNhighagain

return(status);//returnnRF24L01statusbyte

}

//读出bytes字节的数据

uchar SPI_Read_Buf(BYTEreg,BYTE*pBuf,BYTEbytes)

{

uchar status,byte_ctr;

CSN = 0;//SetCSNlow,initSPItranaction

status = SPI_RW(reg);//Selectregistertowritetoandreadstatusbyte

for (byte_ctr=0;byte_ctr

pBuf[byte_ctr] = SPI_RW(0);//

CSN = 1;

return(status);//returnnRF24L01statusbyte

}

//写入bytes字节的数据

uchar SPI_Write_Buf(BYTEreg,BYTE*pBuf,BYTEbytes)

{

uchar status,byte_ctr;

CSN = 0;

status = SPI_RW(reg);

for (byte_ctr=0;byte_ctr

SPI_RW(*pBuf++);

CSN = 1;//SetCSNhighagain

return(status);//

}

//接收函数，返回1表示有数据收到，否则没有数据接受到

unsigned char nRF24L01_RxPacket(unsignedchar*rx_buf)

{

unsigned char revale=0;

//setinRXmode

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+CONFIG,0x0f);//SetPWR_UPbit,enableCRC(2bytes)&

Prim:RX.RX_DRenabled..

CE = 1;//SetCEpinhightoenableRXdevice

dalay130us();

sta = SPI_Read(STATUS);//readregisterSTATUS'svalue

if (RX_DR)//ifreceivedataready(RX_DR)interrupt

{

CE = 0;//standbymode

SPI_Read_Buf(RD_RX_PLOAD,rx_buf,TX_PLOAD_WIDTH);//readreceivepayloadfrom

RX_FIFObuffer

revale = 1;

}

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+STATUS,sta);//clearRX_DRorTX_DSorMAX_RTinterrupt flag

return revale;

}

//发送函数

voidn RF24L01_TxPacket(unsignedchar*tx_buf)

{

CE = 0;

//SPI_Write_Buf(WRITE_REG+TX_ADDR,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);//Writes

TX_AddresstonRF24L01

//SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);//

RX_Addr0sameasTX_AdrforAuto.Ack

SPI_Write_Buf(WR_TX_PLOAD,tx_buf,TX_PLOAD_WIDTH);//WritesdatatoTXpayload

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+CONFIG,0x0e);//SetPWR_UPbit,enableCRC(2bytes)&

Prim:TX.MAX_RT&TX_DSenabled..

CE = 1;

dalay10us();

CE = 0;

}

//配置函数

void nRF24L01_Config(void)

{

//initialio

CE = 0;//chipenable

CSN = 1;//Spidisable

SCK = 0;//Spiclockline inithigh

CE = 0;

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+CONFIG,0x0f);//SetPWR_UPbit,enableCRC(2bytes)&

Prim:RX.RX_DRenabled..

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_AA,0x01);

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+EN_RXADDR,0x01);//EnablePipe0

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+SETUP_AW,0x02);//Setupaddresswidth=5bytes

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+SETUP_RETR,0x1a);//500us+86us,10retrans...

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_CH,0);

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RF_SETUP,0x07);//TX_PWR:0dBm,Datarate:1Mbps,

LNA:HCURR

SPI_RW_Reg(WRITE_REG+RX_PW_P0,RX_PLOAD_WIDTH);

SPI_Write_Buf(WRITE_REG+TX_ADDR,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);

SPI_Write_Buf(WRITE_REG+RX_ADDR_P0,TX_ADDRESS,TX_ADR_WIDTH);CE=1;//

}

//////////////////第三维编辑/////////////////////////////////////////////////////

参考资料

1.2.4G 无线芯片 NRF2401AG·微波EDA网

标签: nrf2401

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性能参数

原理图

电路原理

引脚定义

接线图

芯片结构

收发模式

ShockBurstTM收发模式

ShockBurstTM发射流程

ShockBurstTM接收流程

直接收发模式

直接接收模式

配置模式

空闲模式

关机模式

器件配置

参考程序

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