系統(tǒng)級(jí)RF收發(fā)芯片nRF24E1及其在無線鍵盤中的應(yīng)用

nRF24E1收發(fā)器是Nordic VLSI推出的系統(tǒng)級(jí)射頻芯片。采用先進(jìn)的0.18μm CMOS工藝、6×6mm的36引腳 QFN封裝，以nRF2401 RF芯片結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將射頻、8051MCU、9輸入10位ADC、125通道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中，內(nèi)部有電壓調(diào)整器（工作電壓1.9～3.6V，推薦工作電壓為3.3V)和VDD電壓監(jiān)視，通道開關(guān)時(shí)間小于200μs，數(shù)據(jù)速率1Mbps，最大射頻輸出分貝數(shù)0dB，不需要外接SAW(聲表)濾波器。nRF24E1是全球最早推出且全球通用的收發(fā)頻段為2.4GHz的、完整的低成本射頻系統(tǒng)級(jí)芯片。適用于無線鍵盤和鼠標(biāo)、無線手持終端、無線頻率識(shí)別、數(shù)字視頻、遙控和汽車電子及其他短距離無線高速方面的應(yīng)用。
1?nRF24E1簡介
1.1 微處理器
　　nRF24E1微處理器的指令系統(tǒng)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051的指令系統(tǒng)兼容，但二者的指令執(zhí)行時(shí)間稍有不同。通常，nRF24E1的每條指令執(zhí)行時(shí)間為4～20個(gè)時(shí)鐘周期，而工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051的每條指令執(zhí)行時(shí)間為12～48個(gè)時(shí)鐘周期。nRF24E1比工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8051增加了ADC、SPI、RF接收器1、RF接收器2和喚醒定時(shí)器5個(gè)中斷源；3個(gè)與8052一樣的定時(shí)器。nRF24E1內(nèi)含有1個(gè)與8051相同的UART，在傳統(tǒng)的異步通信方式下，可用定時(shí)器1和定時(shí)器2作為UART(串口)的波特率發(fā)生器。為了便于和外部RAM區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，nRF24E1的CPU還集成2個(gè)數(shù)據(jù)指針，其微控制器的時(shí)鐘直接來源于晶振。nRF24E1功能模塊圖如圖1所示。

　　微處理器中有256B的數(shù)據(jù)RAM和512B的ROM。上電復(fù)位或軟件復(fù)位后，處理器自動(dòng)執(zhí)行ROM中引導(dǎo)區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，從E²PROM加載到1個(gè)4KB的RAM中(該RAM也可作存儲(chǔ)數(shù)據(jù)用)。如果應(yīng)用中不用掩膜ROM（即內(nèi)含的ROM），程序代碼必須從外部非易失性存儲(chǔ)器中加載。比較常見的是通過SPI接口擴(kuò)展E²PROM，型號(hào)推薦為25320。
　　與標(biāo)準(zhǔn)8051相比，因nRF24E1的微控制器增加了一些新的功能，因此也相應(yīng)地增加了一些特殊功能寄存器來對(duì)這些新增的功能進(jìn)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口的寄存器也和標(biāo)準(zhǔn)8051的有所不同，其他特殊功能寄存器與標(biāo)準(zhǔn)8051的相同。
1.2 PWM和SPI接口
　　nRF24E1有一個(gè)可編程控制的PWM輸出，使用時(shí)，通過程序可改變DIO9(即P0.7)的功能，并可編程決定PWM工作于6位、7位或8位。
　　SPI的3個(gè)口與GPIO(DIN0、DIO0、DIO1)和RF收發(fā)器重用。SPI硬件不產(chǎn)生任何片選信號(hào)，通常，用GPIO的位(P0口)作為外部SPI設(shè)備的片選口。
1.3 RTC喚醒定時(shí)器、WTD和RC振蕩器
　　nRF24E1內(nèi)有一個(gè)低功耗的RC振蕩器，當(dāng)V_DD≥1.8V時(shí)，可連續(xù)工作，和應(yīng)用程序無關(guān)。RTC喚醒定時(shí)器和WTD(看門狗)為2個(gè)16位可編程定時(shí)器，它們的工作時(shí)鐘為RC振蕩器的LP_OSC。喚醒定時(shí)器和看門狗的定時(shí)時(shí)間約為300μs～80ms，默認(rèn)值為10ms。
1.4 A/D轉(zhuǎn)換器
　　nRF24E1內(nèi)有9通道10位ADC，線性轉(zhuǎn)換時(shí)間為每10位48個(gè)CPU指令周期。A/D轉(zhuǎn)換器的9個(gè)輸入可通過軟件進(jìn)行選擇，通道0～7可以把對(duì)應(yīng)引腳AIN0～AIN7上的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，通道8用于對(duì)nRF24E1工作電壓的監(jiān)控。A/D轉(zhuǎn)換器默認(rèn)工作于10位方式，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。
1.5 無線收發(fā)器
　　nRF24E1收發(fā)器通過內(nèi)部并行口或內(nèi)部SPI口與其他模塊進(jìn)行通信，其功能與單片射頻收發(fā)器nRF2401相同。DuoCeiver接收器輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號(hào)，可通過程序使其成為微處理器的中斷信號(hào)或通過GPIO口傳給CPU。nRF2401工作于全球開放的2.4G～2.5GHz頻段。收發(fā)器由1個(gè)完整的頻率合成器、1個(gè)功率放大器、1個(gè)調(diào)節(jié)器和2個(gè)接收器組成。輸出功率、頻道和其他射頻參數(shù)可通過對(duì)特殊功能寄存器RADIO（0xA0）編程進(jìn)行控制。發(fā)射模式下，射頻電流消耗僅為10.5mA，接收模式下為18mA(可通過程序控制收發(fā)器的開/關(guān)來節(jié)能）。
2?無線鍵盤的基本知識(shí)
　　無線鍵盤使用無線的方式在鍵盤與PC間進(jìn)行通信，其中的無線模塊一般用射頻技術(shù)或藍(lán)牙技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。由于藍(lán)牙技術(shù)協(xié)議復(fù)雜、成本高和開發(fā)周期長，所以，目前的許多無線鍵盤都是用射頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)無線連接。在射頻領(lǐng)域，挪威Nordic VLSI公司的射頻芯片的性能非常出眾，其產(chǎn)品主要有nRF401系列、nRF903系列、nRF2401系列和nRF24E1系列。本文介紹的即是采用nRF24E1來實(shí)現(xiàn)無線鍵盤的設(shè)計(jì)方法。

無線鍵盤大部分都由電池供電，所以需要用到許多節(jié)能技術(shù)。基于節(jié)能的目的，許多無線鍵盤沒有使用有線鍵盤上的“Num Lock”、“Caps Lock”、“Scroll Lock”這3個(gè)LED指示燈。另外，無線鍵盤應(yīng)該合理有效地使用RF模塊，從鍵盤到PC的RF數(shù)據(jù)包可能包含多達(dá)8個(gè)的擊鍵信息。鍵盤掃描矩陣約每秒鐘掃描500次，一般每個(gè)掃描周期內(nèi)，所檢測到的擊鍵不多于1個(gè)。因?yàn)槿烁杏X不到150ms的檢測延時(shí)，所以，當(dāng)鍵盤檢測到1個(gè)擊鍵和發(fā)送RF數(shù)據(jù)包到PC后，可以空閑150ms以上的時(shí)間，直到有下一個(gè)按鍵被按下，這樣可以盡量減少RF模塊的工作時(shí)間[2]。
　　對(duì)于只需要發(fā)送數(shù)據(jù)的鍵盤，使用nRF24E2即能滿足一般鍵盤的需要。如果要求鍵盤不僅能夠發(fā)送信息而且還要接收PC機(jī)反饋信息，則需要使用nRF24E1來做鍵盤中的無線模塊。雙向收發(fā)更利于實(shí)現(xiàn)密碼編制、數(shù)據(jù)包重發(fā)和當(dāng)系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)鍵盤處于節(jié)能狀態(tài)。
3?nRF24E1在無線鍵盤中的應(yīng)用
3.1 鍵盤掃描矩陣
　　nRF24E1與無線鍵盤的接口方式如圖2所示。普通PC鍵盤的按鍵是104個(gè)，而圖2所示的鍵盤矩陣為8行20列，最多可定義160個(gè)按鍵開關(guān)。設(shè)計(jì)過程中，其中的某些按鍵可以不進(jìn)行定義。每個(gè)按鍵布置在行列交接處，當(dāng)按鍵被按下時(shí)，與該按鍵相接的行和列即被短接。為了進(jìn)行鍵盤矩陣掃描，nRF24E1按時(shí)序把列掃描信號(hào)送到移位寄存器。列掃描信號(hào)由1個(gè)“0”和19個(gè)“1”組成，“0”在移位寄存器中逐位往后移，每移動(dòng)1次，鍵盤行的狀態(tài)就被掃描1次。如果此列的某按鍵被按，則與該按鍵相對(duì)應(yīng)的行值為“0”，其他的為“1”。

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　　在鍵盤掃描的過程中，按鍵可能會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)，因此編寫軟件時(shí)應(yīng)該考慮到去抖動(dòng)問題。常用的去抖動(dòng)方法：一旦系統(tǒng)檢測到某按鍵被按下，則延時(shí)30～50ms后再去檢測該按鍵。如果此時(shí)檢測到的該按鍵狀態(tài)還是被按下狀態(tài)，就把該按鍵當(dāng)作被按下一次處理。
3.2 系統(tǒng)軟件
　　nRF24E1有4KB的片內(nèi)RAM，這對(duì)于鍵盤軟件已經(jīng)夠用。系統(tǒng)上電后，E²PROM中的程序自動(dòng)下載到該4KB的RAM中，MCU即可直接對(duì)RAM中的代碼進(jìn)行讀寫。
　　鍵盤軟件的功能：
　　(1)提供移位寄存器所需要的列掃描信息。
　　(2)讀出行掃描值。
　　(3)檢測按鍵被按下和去抖動(dòng)。
　　(4)發(fā)送掃描到的被按下按鍵的信息到PC。
　　(5)節(jié)能狀態(tài)循環(huán)。
　　無線鍵盤應(yīng)該使用節(jié)能技術(shù)以延長電池的壽命。nRF24E1片內(nèi)nRF2401的ShockBurstTM技術(shù)是為用戶節(jié)能設(shè)計(jì)的，所以設(shè)計(jì)人員在編寫軟件時(shí)可以不考慮節(jié)能問題。但是，設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮在系統(tǒng)空閑時(shí)怎樣進(jìn)一步減小電流。
　　nRF2401的晶振為16MHz時(shí)，其片內(nèi)的8051內(nèi)核工作電流為3mA。由于鍵盤是周期性工作的，相對(duì)工作時(shí)間來說，鍵盤的空閑時(shí)間很長。所以，當(dāng)鍵盤不工作時(shí)，有必要把片內(nèi)8051設(shè)為空閑狀態(tài)，且片內(nèi)8051空閑狀態(tài)的工作電流只有2μA，用此來減小電池消耗。系統(tǒng)在空閑狀態(tài)和工作狀態(tài)時(shí)的任務(wù)分述如下。
　　空閑狀態(tài)：
　?。?）完成所有的鍵盤掃描(約需要0.5ms)。
　　（2）如果有按鍵被按下，則進(jìn)入工作狀態(tài)。
　?。?）把8051設(shè)為空閑狀態(tài)，同時(shí)RTC的喚醒時(shí)間設(shè)為20ms。
　　（4）空閑狀態(tài)循環(huán)。
　　工作狀態(tài)：
　　（1）每秒鐘掃描鍵盤500次。
　?。?）發(fā)送所有的按鍵信息給PC。
　　（3）如果10秒鐘內(nèi)沒有按鍵被按下，則進(jìn)入空閑狀態(tài)。
　　（4）工作狀態(tài)循環(huán)。
　　一般來說，按照上述方法考慮電池節(jié)能的問題，可以使電池的壽命提高約40倍。所以，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)時(shí)，進(jìn)行電池節(jié)能的考慮至關(guān)重要。
4? 結(jié)? 論
　　實(shí)踐證明，nRF24E1非常適合用來實(shí)現(xiàn)無線鍵盤與PC機(jī)之間的通信，其優(yōu)點(diǎn)：
　?。?）nRF24E1內(nèi)嵌8051，更易于減小體積。
　?。?）采用了ShockBurstTM技術(shù)，使編程更方便。
　?。?）更易于實(shí)現(xiàn)安全的鍵盤信息發(fā)送。
　　（4）2.4GHz的收發(fā)頻段為全球開放頻段。
　　（5）電池監(jiān)管更方便，并且功耗低。
　?。?）nRF24E1具有的GPIO使得擴(kuò)展其他功能，如LED指示等更加容易。