مستوى النظام جهاز الإرسال والاستقبال RF رقاقة NRF24E1 وتطبيقه في لوحة المفاتيح اللاسلكية

جهاز الإرسال والاستقبال NRF24E1 هو شريحة RF على مستوى النظام تم إطلاقها بواسطة Nordic VLSI. عملية CMOS المتقدمة 0.18 M ، حزمة QFN 6 مللي متر 36 دبوس ، استنادًا إلى هيكل رقاقة nRF2401 RF ، تدمج RF و 8051mcu و 9-الإدخال 10 بت ADC و 125 قناة و UART و SPI و PWM و RTC و WDT في شريحة واحدة ، مع منظم الجهد الداخلي (الجهد العمل 1.9 3.6V ، الجهد العمل الموصى به 3.3V) ومراقبة الجهد VDD ، ووقت تبديل القناة أقل من 200 ثانية. معدل البيانات هو 1 ميجابت في الثانية ، وأقصى ديسيبل لإخراج الترددات اللاسلكية هو 0 ديسيبل ، المنشار الخارجي (عداد الصوت) غير مطلوب مرشح. NRF24E1 هي الشريحة الأولى والعالمية منخفضة التكلفة على مستوى نظام الترددات اللاسلكية مع نطاق جهاز الإرسال والاستقبال 2.4 غيغاهرتز. إنها مناسبة للوحة المفاتيح اللاسلكية والماوس ، والمحطة اللاسلكية المحمولة ، وتحديد التردد اللاسلكي ، والفيديو الرقمي ، والتحكم عن بعد ، وإلكترونيات السيارات وغيرها من التطبيقات اللاسلكية عالية السرعة قصيرة المدى. 1   مقدمة إلى nRF24E1 1.1 معالج دقيق نظام التعليمات من المعالج الدقيق nRF24E1 متوافق مع نظام التعليمات من معيار الصناعة 8051 ، ولكن وقت تنفيذ التعليمات يختلف قليلاً. بشكل عام ، يكون وقت تنفيذ كل تعليمات من nRF24E1 هو 4 20 دورة على مدار الساعة ، في حين أن معيار الصناعة 8051 هو 12 48 دورة على مدار الساعة. يزيد NRF24E1 من ADC و SPI و R مقارنة بمعيار الصناعة 8051 ، خمسة مصادر مقاطعة هي f seiver 1 ، مستقبل RF 2 وموقت الاستيقاظ ؛ ثلاثة أجهزة ضبط الوقت هي نفس 8052. يحتوي NRF24E1 على UART واحد وهو نفس 8051. تحت وضع الاتصال التقليدي غير المتزامن ، يمكن استخدام المؤقت 1 والموقت 2 كUART (منفذ تسلسلي) من أجل تسهيل نقل البيانات مع منطقة ذاكرة الوصول العشوائي الخارجية ، تقوم وحدة المعالجة المركزية لـ nRF24E1 أيضًا بدمج مؤشرين للبيانات ، وتأتي ساعة وحدة التحكم الدقيقة مباشرة من مذبذب الكريستال. يظهر الرسم التخطيطي للوحدة الوظيفية لـ nRF24E1 في الشكل 1.

هناك ذاكرة الوصول العشوائي للبيانات 256b و 512b ROM في المعالج الدقيق. بعد إعادة تعيين الطاقة أو إعادة تعيين البرنامج ، يقوم المعالج تلقائيًا بتنفيذ الرمز في منطقة التمهيد في ROM. عادة ما يتم تحميل برنامج المستخدم من E2PROM إلى 4KB RAM (يمكن أيضًا استخدام الكبش لتخزين البيانات) تحت إشراف منطقة التمهيد. إذا كان قناع ROM (أي. لم يتم استخدام ROM المتضمن) في التطبيق ، يجب تحميل رمز البرنامج من الذاكرة الخارجية غير المتطايرة. من الشائع تمديد E2PROM من خلال واجهة SPI ، ويوصى بأن يكون النموذج 25320. بالمقارنة مع معيار 8051 ، يضيف المتحكم الدقيق لـ nRF24E1 بعض الوظائف الجديدة ، لذلك تتم إضافة بعض سجلات الوظائف الخاصة وفقًا للتحكم في هذه الوظائف الجديدة. سجلات الوظائف الخاصة الجديدة هي rad IO (P2) ، adccon ، adcdatah ، adcdatah ، adcdatal ، adcstatic ، pwmduy ، إلخ. في المتحكم الدقيق لـ nRF24E1 ، تختلف سجلات منافذ P0 و P1 أيضًا عن سجلات 8051 القياسية ، وسجلات الوظائف الخاصة الأخرى هي نفس سجلات 8051 القياسية. 1.2 PWM و SPI واجهة nRF24E1 لها إخراج PWM قابل للبرمجة.

أثناء الاستخدام ، dio9 (أي. P0.7) يمكن تغييرها بواسطة برنامج يمكن برمجته لتحديد أن PWM يعمل في 6 بت أو 7 بت أو 8 بت. يتم إعادة استخدام المنافذ الثلاثة لـ SPI مع GPIO (din0 و dio0 و dio1) و RF. أجهزة SPI لا تولد أي إشارة اختيار رقاقة. بشكل عام ، يتم استخدام بت GPIO (منفذ P0) كمنفذ اختيار الشريحة لمعدات SPI الخارجية. 1.3 مؤقت إيقاظ RTC ، مذبذب WTD و RC. يوجد مذبذب RC منخفض الطاقة في nRF24E1 ، والذي يمكن أن يعمل بشكل مستمر عندما VDD 1.8V ، بغض النظر عن التطبيق. RTC wake-up timer و WTD (watchdog) هو اثنان من أجهزة ضبط الوقت القابلة للبرمجة 16 بت ، ساعة العمل هي lp_osc من مذبذب RC.

يبلغ وقت توقيت مؤقت الإيقاظ وجهاز المراقبة حوالي 300 S 80 مللي ثانية ، والقيمة الافتراضية هي 10 مللي ثانية. 1.4 يحتوي محول A / D nRF24E1 على 9 قنوات من 10 بت ADC ، ووقت التحويل الخطي هو 48 دورة تعليمات وحدة المعالجة المركزية لكل 10 بت. يمكن اختيار 9 مدخلات من محول A / D بواسطة البرنامج. يمكن للقنوات 0 7 تحويل قيم الجهد على المسامير المقابلة داخل 0 in7 إلى قيم رقمية ، ويتم استخدام القناة 8 لمراقبة جهد العمل لـ nRF24E1. يعمل محول A / D على 10 بتات حسب الوضع الافتراضي ، والذي يمكن أن يعمل في وضع 6 بت أو 8 بت أو 12 بت من خلال البرنامج. 1.5 جهاز الإرسال والاستقبال اللاسلكي nRF24E1 يتصل جهاز الإرسال والاستقبال اللاسلكي مع وحدات أخرى من خلال منفذ متوازي داخلي أو منفذ SPI الداخلي ، ووظيفته هي نفس وظيفة جهاز الإرسال والاستقبال RF أحادي الشريحة nRF2401. يمكن تحويل إخراج إشارة الاستعداد للبيانات بواسطة جهاز استقبال duoreceiver إلى إشارة مقاطعة المعالج الدقيق من خلال البرنامج أو إرسالها إلى CP من خلال منفذ GPIO U. يعمل NRF2401 في نطاق التردد العالمي المفتوح 2.4G 2.5 جيجا هرتز. يتكون جهاز الإرسال والاستقبال من مركب تردد كامل ، ومضخم طاقة ، ومنظم ومستقبلين. يمكن التحكم في طاقة الإخراج والقناة ومعلمات الترددات الراديوية الأخرى عن طريق برمجة راديو سجل الوظائف الخاص (0xa0). في وضع الإرسال ، يكون استهلاك تيار التردد اللاسلكي 10.5ma فقط وفي وضع الاستقبال ، 18ma (يمكن تحقيق توفير الطاقة عن طريق التحكم في تشغيل/إيقاف جهاز الإرسال والاستقبال). 2   المعرفة الأساسية للوحة المفاتيح اللاسلكية لوحة المفاتيح اللاسلكية يستخدم الوضع اللاسلكي للتواصل بين لوحة المفاتيح والكمبيوتر. يتم تحقيق الوحدة اللاسلكية بشكل عام من خلال تقنية RF أو تقنية Bluetooth.

نظرًا للبروتوكول المعقد والتكلفة العالية ودورة التطوير الطويلة لتقنية Bluetooth ، تستخدم العديد من لوحات المفاتيح اللاسلكية تقنية RF لتحقيق الاتصال اللاسلكي. في مجال RF ، شركة Nordic VLSI في النرويج إن أداء رقائق RF الخاصة بنا رائع للغاية. منتجاتنا تشمل أساسا سلسلة nRF401 ، سلسلة nRF903 ، سلسلة nRF2401 وسلسلة nRF24E1. تقدم هذه الورقة طريقة تصميم استخدام nRF24E1 لتحقيق لوحة المفاتيح اللاسلكية.

يتم تشغيل معظم لوحات المفاتيح اللاسلكية بواسطة البطاريات ، لذلك هناك حاجة إلى العديد من التقنيات الموفرة للطاقة. لأغراض توفير الطاقة ، لا تستخدم العديد من لوحات المفاتيح اللاسلكية "قفل num" و "قفل القبعات" و "قفل التمرير" على لوحات المفاتيح السلكية هذه مؤشرات LED الثلاثة. بالإضافة إلى ذلك ، يجب أن تستخدم لوحة المفاتيح اللاسلكية بشكل معقول وفعال وحدة التردد اللاسلكي. قد تحتوي حزمة بيانات RF من لوحة المفاتيح إلى الكمبيوتر على ما يصل إلى 8 ضغطات مفاتيح. يتم فحص مصفوفة مسح لوحة المفاتيح حوالي 500 مرة في الثانية. بشكل عام ، لا يتم اكتشاف أكثر من ضغطة مفتاح واحدة في كل دورة مسح. نظرًا لأن الأشخاص لا يشعرون بتأخير الكشف عن 150 مللي ثانية ، عندما تكتشف لوحة المفاتيح ضغطة واحدة وترسل بعد إرسال حزمة بيانات RF إلى الكمبيوتر ، يمكن أن تكون خاملة لأكثر من 150 مللي ثانية حتى يتم الضغط على المفتاح التالي ، والتي يمكن أن تقلل من وقت العمل من وحدة RF [2] 3. بالنسبة للوحة المفاتيح التي تحتاج فقط إلى إرسال البيانات ، فإن استخدام nrf24e2 يمكن أن يلبي احتياجات لوحة المفاتيح العامة. إذا كانت لوحة المفاتيح مطلوبة ليس فقط لإرسال المعلومات ، ولكن أيضًا تلقي التعليقات من الكمبيوتر ، فيجب استخدام nRF24E1 كوحدة لاسلكية في لوحة المفاتيح. جهاز الإرسال والاستقبال ثنائي الاتجاه أكثر ملاءمة للتشفير وإعادة إرسال الحزمة وتوفير الطاقة عند إيقاف تشغيل النظام. 3   يظهر تطبيق nRF24E1 في لوحة المفاتيح اللاسلكية 3.1 مصفوفة مسح لوحة المفاتيح وضع الواجهة بين nRF24E1 ولوحة المفاتيح اللاسلكية في الشكل 2. تحتوي لوحة مفاتيح الكمبيوتر الشائعة على 104 مفتاحًا ، بينما تحتوي مصفوفة لوحة المفاتيح الموضحة في الشكل 2 على 8 صفوف و 20 عمودًا ، ويمكن تحديد ما يصل إلى 160 مفتاح مفتاح. أثناء عملية التصميم ، لا يمكن تعريف بعض المفاتيح. يتم ترتيب كل مفتاح عند تقاطع الصفوف والأعمدة. عند الضغط على المفتاح من أجل مسح مصفوفة لوحة المفاتيح ، يرسل nRF24E1 إشارة مسح العمود إلى سجل التحول بالتسلسل. تتكون إشارة مسح العمود من 1 "0" و 19 "1" و "0" تحرك للخلف شيئًا فشيئًا في سجل التحول ، ويتم مسح حالة صف لوحة المفاتيح مرة واحدة لكل حركة. إذا تم الضغط على مفتاح في هذا العمود ، فإن قيمة الصف المقابلة للمفتاح هي "0" وغيرها هي "1".

في عملية مسح لوحة المفاتيح ، قد يهتز المفتاح ، لذلك يجب مراعاة مشكلة الارتعاش عند كتابة البرنامج. الطرق الشائعة للارتعاش: بمجرد أن يكتشف النظام ضغط المفتاح ، فإنه سيؤخر 30 50 مللي ثانية قبل اكتشاف المفتاح. إذا كان لا يزال يتم الضغط على حالة المفتاح المكتشفة ، فسيتم التعامل مع المفتاح على أنه ضغط مرة واحدة. 3.2 يحتوي برنامج النظام NRF24E1 على ذاكرة الوصول العشوائي 4KB على رقاقة ، وهو ما يكفي لبرنامج لوحة المفاتيح. بعد تشغيل النظام ، سيتم تنزيل البرنامج في E2PROM تلقائيًا إلى ذاكرة الوصول العشوائي 4KB ، ويمكن لـ MCU قراءة وكتابة الرمز مباشرة في ذاكرة الوصول العشوائي. وظائف برنامج لوحة المفاتيح: (1) توفير معلومات مسح العمود المطلوبة بواسطة سجل التحول. (2) قراءة قيمة المسح الضوئي السفر. (3) اكتشف أن المفتاح يتم الضغط عليه و de jittered. (4) إرسال المعلومات الممسوحة ضوئيا من المفتاح المضغوط إلى جهاز الكمبيوتر. (5) دورة الدولة الموفرة للطاقة. يجب أن تستخدم لوحة المفاتيح اللاسلكية تقنية موفرة للطاقة لإطالة عمر البطارية. تم تصميم تقنية ShockBurst TM الخاصة بـ nRF2401 على شريحة nRF24E1 لتوفير الطاقة للمستخدمين ، لذلك لا يمكن للمصممين التفكير في توفير الطاقة عند كتابة البرامج. ومع ذلك ، يجب على المصممين التفكير في كيفية زيادة تقليل التيار عندما يكون النظام خاملاً. عندما يكون مذبذب الكريستال nRF2401 16 ميجاهرتز ، فإن تيار العمل في قلب 8051 على الرقاقة هو 3mA. نظرًا لأن لوحة المفاتيح تعمل بشكل دوري ، فإن وقت الخمول للوحة المفاتيح طويل جدًا مقارنة بوقت العمل. لذلك ، عندما لا تعمل لوحة المفاتيح ، فمن الضروري تعيين 8051 على رقاقة إلى حالة الخمول ، والتيار العامل على رقاقة 8051 في حالة الخمول هو 2 أ فقط. يستخدم هذا لتقليل استهلاك البطارية. مهام النظام في حالة الخمول وحالة العمل هي كما يلي. حالة الخمول: (1) استكمال جميع مسح لوحة المفاتيح (حوالي 0.5ms). (2) أدخل حالة العمل إذا تم الضغط على مفتاح. (3) تعيين 8051 إلى حالة الخمول ووقت الاستيقاظ من RTC إلى 20ms. (4) دورة الدولة الخمول. حالة العمل: (1) مسح لوحة المفاتيح 500 مرة في الثانية الواحدة. (2) إرسال جميع المعلومات الأساسية إلى جهاز الكمبيوتر. (3) أدخل حالة الخمول إذا لم يتم الضغط على أي مفتاح في غضون 10 ثانية. (4) دورة حالة العمل. بشكل عام ، يمكن أن يؤدي النظر في الحفاظ على طاقة البطارية وفقًا للطرق المذكورة أعلاه إلى زيادة عمر خدمة البطارية بحوالي 40 مرة. لذلك ، من المهم للغاية النظر في الحفاظ على طاقة البطارية في تصميم برنامج النظام. 4   تقاطع   أثبتت الممارسة أن nRF24E1 مناسب جدًا لتحقيق الاتصال بين لوحة المفاتيح اللاسلكية والكمبيوتر الشخصي. مزاياها: (1) يتم تضمين nRF24E1 مع 8051 ، وهو أسهل لتقليل الحجم. (2) تم اعتماد تقنية ShockBurst TM لجعل البرمجة أكثر ملاءمة. (3) فمن الأسهل لتحقيق نقل المعلومات لوحة المفاتيح آمنة. (4) نطاق تردد جهاز الإرسال والاستقبال 2.4 جيجاهرتز هو نطاق تردد مفتوح عالمي (5) مراقبة البطارية أكثر ملاءمة واستهلاك منخفض للطاقة. (6) GPIO من nRF24E1 يجعل من السهل توسيع وظائف أخرى ، مثل مؤشر LED.