Nivel de sistema RF transceptor chip NRF24E1 y su aplicación en teclado inalámbrico

El transceptor NRF24E1 es un chip de RF a nivel de sistema lanzado por Nordic VLSI. Proceso CMOS avanzado de 0,18 M, paquete QFN de 6mm y 36 pines, basado en la estructura del chip RF nRF2401, integra RF, 8051mcu, ADC de 9 entradas de 10 bits, 125 canales, UART, SPI, PWM, RTC y WDT en un solo chip, con regulador de voltaje interno (voltaje de trabajo 1,9 3,6 V, Voltaje de trabajo recomendado 3,3 V) y monitoreo de voltaje VDD, y el tiempo de conmutación del canal es inferior a 200 s. La velocidad de datos es de 1Mbps, el decibelio de salida de RF máximo es de 0dB, y la sierra externa (medidor de sonido) no se requiere filtro. NRF24E1 es el primer y universal chip de nivel de sistema de RF de bajo costo con una banda transceptora de 2,4 GHz. Es adecuado para teclado y ratón inalámbricos, terminal de mano inalámbrico, identificación de frecuencia inalámbrica, video digital, control remoto, electrónica automotriz y otras aplicaciones inalámbricas de alta velocidad de corto alcance. 1   Introducción al microprocesador nRF24E1 1,1 el sistema de instrucciones del microprocesador nRF24E1 es compatible con el sistema de instrucciones del estándar industrial 8051, pero su tiempo de ejecución de instrucciones es ligeramente diferente. Generalmente, el tiempo de ejecución de cada instrucción de nRF24E1 es de 4 20 ciclos de reloj, mientras que el del estándar industrial 8051 es de 12 48 ciclos de reloj. NRF24E1 aumenta ADC, SPI y R en comparación con el estándar industrial 8051 Cinco fuentes de interrupción son el receptor 1, el receptor 2 de RF y el temporizador de activación; tres temporizadores son los mismos que 8052. NRF24E1 contiene un UART que es el mismo que 8051. Bajo el modo de comunicación asincrónico tradicional, el temporizador 1 y el temporizador 2 se pueden utilizar como UART (puerto serie) Para facilitar la transferencia de datos con el área de RAM externa, la CPU de nRF24E1 también integra dos punteros de datos, y el reloj de su microcontrolador directamente viene del oscilador de cristal. El diagrama de módulo funcional de nRF24E1 se muestra en la Figura 1.

Hay 256b RAM de datos y 512b ROM en el microprocesador. Después de reiniciar el encendido o restablecer el software, el procesador ejecuta automáticamente el código en el área de inicio de la ROM. El programa de usuario generalmente se carga desde E2PROM en una RAM de 4KB (el ram también se puede usar para almacenar datos) bajo la guía del área de inicio. Si la ROM de la máscara (p. Ej. La ROM incluida) no se utiliza en la aplicación, el código del programa debe cargarse desde la memoria externa no volátil. Es común extender E2PROM a través de la interfaz SPI, y se recomienda que el modelo sea 25320. En comparación con el estándar 8051, el microcontrolador de nRF24E1 agrega algunas funciones nuevas, por lo que se agregan algunos registros de funciones especiales en consecuencia para controlar estas nuevas funciones. Los nuevos registros de funciones especiales son rad IO (P2), adccon, adcdatah, adcdatal, adcstatic, pwmcon, pwmduty, etc. En el microcontrolador de nRF24E1, los registros de los puertos P0 y P1 también son diferentes de los del estándar 8051, y otros registros de funciones especiales son los mismos que los del estándar 8051. 1,2 Interfaz PWM y SPI nRF24E1 tiene una salida PWM programable.

Durante el uso, dio9 (p. Ej. P0.7) se puede cambiar por programa. Se puede programar para determinar que PWM funciona en 6 bits, 7 bits u 8 bits. Los tres puertos de SPI se reutilizan con GPIO (din0, dio0 y dio1) y transceptor de RF. El hardware SPI no genera ninguna señal de selección de chip. Generalmente, el bit GPIO (puerto P0) se utiliza como el puerto de selección de chip del equipo SPI externo. 1,3 Temporizador de activación RTC, WTD y oscilador RC. Hay un oscilador RC de baja potencia en nRF24E1, que puede funcionar continuamente cuando VDD 1,8 V, independientemente de la aplicación. Temporizador de activación RTC y WTD (perro guardián) Son dos temporizadores programables de 16 bits cuyo reloj de trabajo es lp_osc del oscilador RC.

El tiempo de sincronización del temporizador de activación y el perro guardián es de aproximadamente 300 S 80ms, y el valor predeterminado es de 10ms. 1,4 el convertidor A/D nRF24E1 tiene 9 canales de ADC de 10 bits, y el tiempo de conversión lineal es de 48 ciclos de instrucción de CPU por cada 10 bits. Las 9 entradas del convertidor A/D pueden seleccionarse por software. Los canales 0 7 pueden convertir los valores de voltaje en los pines correspondientes ain0 ain7 en valores digitales, y el canal 8 se utiliza para monitorear el voltaje de trabajo de nRF24E1. El convertidor A / D funciona a 10 bits por modo predeterminado, que puede funcionar en modo de 6 bits, 8 bits o 12 bits a través de software. El transceptor inalámbrico 1,5 nRF24E1 se comunica con otros módulos a través de un puerto paralelo interno o un puerto SPI interno, y su función es la misma que la del transceptor de RF de un solo chip nRF2401. La salida de la señal de espera de datos por el receptor duoreceiver se puede convertir en señal de interrupción del microprocesador a través del programa o transmitirse a CP a través del puerto GPIO U. NRF2401 opera en la banda de frecuencia global abierta de 2,4G 2,5 GHz. El transceptor consta de un sintetizador de frecuencia completo, un amplificador de potencia, un regulador y dos receptores. La potencia de salida, el canal y otros parámetros de RF se pueden controlar programando la radio de registro de función especial (0xa0). En el modo de transmisión, el consumo de corriente de RF es de solo 10.5ma y en el modo de recepción, 18ma (el ahorro de energía se puede lograr mediante el control del programa de encendido/apagado del transceptor). 2   El conocimiento básico del teclado inalámbrico utiliza el modo inalámbrico para comunicarse entre el teclado y el PC. El módulo inalámbrico es generalmente realizado por tecnología RF o tecnología Bluetooth.

Debido al protocolo complejo, el alto costo y el largo ciclo de desarrollo de la tecnología Bluetooth, muchos teclados inalámbricos utilizan la tecnología RF para realizar la conexión inalámbrica. En el campo de RF, empresa Nordic VLSI de Noruega El rendimiento de nuestros chips de RF es muy sobresaliente. Nuestros productos incluyen principalmente la serie nRF401, la serie nRF903, la serie nRF2401 y la serie nRF24E1. Este documento presenta el método de diseño de usar nRF24E1 para realizar el teclado inalámbrico.

La mayoría de los teclados inalámbricos funcionan con baterías, por lo que se necesitan muchas tecnologías de ahorro de energía. Para fines de ahorro de energía, muchos teclados inalámbricos no usan "no bloqueo", "bloqueo de tapas" y "bloqueo de desplazamiento" en teclados con cable Estos tres indicadores LED. Además, el teclado inalámbrico debe utilizar de manera razonable y efectiva el módulo de RF. El paquete de datos de RF desde el teclado al PC puede contener hasta 8 pulsaciones de teclas. La matriz de escaneo del teclado se escanea aproximadamente 500 veces por segundo. Generalmente, no se detecta más de 1 pulsación de tecla en cada ciclo de exploración. Porque la gente no puede sentir el retraso de la detección de 150ms, cuando el teclado detecta 1 pulsación y envía Después de enviar el paquete de datos de RF al PC, puede estar inactivo durante más de 150ms hasta que se presione la siguiente tecla, que puede minimizar el tiempo de trabajo del módulo de RF [2] 3. Para el teclado que solo necesita enviar datos, el uso de nrf24e2 puede satisfacer las necesidades del teclado general. Si se requiere que el teclado no solo envíe información, sino que también reciba retroalimentación de la PC, nRF24E1 debe usarse como el módulo inalámbrico en el teclado. El transceptor bidireccional es más propicio para el cifrado, la retransmisión de paquetes y el ahorro de energía cuando el sistema está apagado. 3   La aplicación de nRF24E1 en la matriz de escaneo de teclado inalámbrico 3,1 el modo de interfaz entre nRF24E1 y el teclado inalámbrico se muestra en la Figura 2. El teclado común de PC tiene 104 teclas, mientras que la matriz de teclado que se muestra en la Figura 2 tiene 8 filas y 20 columnas, y se pueden definir hasta 160 interruptores de tecla. Durante el proceso de diseño, algunas claves no se pueden definir. Cada tecla está dispuesta en la intersección de filas y columnas. Cuando se pulsa la tecla Para escanear la matriz de teclado, nRF24E1 envía la señal de exploración de columna al registro de desplazamiento en secuencia. La señal de escaneo de columna consta de 1 "0" y 19 "1" y "0" Mover hacia atrás poco a poco en el registro de desplazamiento, y el estado de la fila del teclado se escanea una vez para cada movimiento. Si se presiona una tecla en esta columna, el valor de fila correspondiente a la tecla es "0" y otras son "1".

En el proceso de escaneo del teclado, la tecla puede temblar, por lo que el problema de la jitter debe considerarse al escribir software. Métodos de jitter comunes: una vez que el sistema detecta que se presiona una tecla, se retrasará 30 50ms antes de detectar la tecla. Si todavía se presiona el estado de clave detectado, la tecla se tratará como presionada una vez. 3,2 sistema de software NRF24E1 tiene 4KB de RAM en el chip, que es suficiente para software de teclado. Después de que el sistema se enciende, el programa en E2PROM se descargará automáticamente al ram de 4KB, y MCU puede leer y escribir directamente el código en RAM. Las funciones del software de teclado: (1) proporcionan la información de escaneo de columna requerida por el registro de turnos. (2) lea el valor de escaneo de viaje. (3) Detectar que la tecla está pulsada y desordenada. (4) enviar la información escaneada de la tecla pulsada a la PC. (5) ciclo de estado de ahorro de energía. El teclado inalámbrico debe utilizar tecnología de ahorro de energía para prolongar la vida útil de la batería. La tecnología ShockBurst TM de nRF2401 en el chip nRF24E1 está diseñada para ahorrar energía a los usuarios, por lo que los diseñadores no pueden considerar el ahorro de energía al escribir software. Sin embargo, los diseñadores deben considerar cómo reducir aún más la corriente cuando el sistema está inactivo. Cuando el oscilador de cristal de nRF2401 es de 16mhz, su La corriente de trabajo del núcleo en el chip 8051 es de 3mA. Debido a que el teclado funciona periódicamente, el tiempo de inactividad del teclado es muy largo en comparación con el tiempo de trabajo. Por lo tanto, cuando el teclado no funciona, es necesario establecer el chip 8051 en el estado inactivo, y la corriente de trabajo del chip 8051 en el estado inactivo es solo 2 A. Esto se utiliza para reducir el consumo de batería. Las tareas del sistema en estado inactivo y estado de trabajo son las siguientes. Estado de inactividad: (1) completar todo el escaneo del teclado (aproximadamente 0,5 ms). (2) introduzca el estado de trabajo si se pulsa una tecla. (3) establezca 8051 en estado de inactividad y el tiempo de activación de RTC a 20ms. (4) Ciclo de estado ocioso. Estado de trabajo: (1) escanear el teclado 500 veces por segundo. (2) enviar toda la información clave a la PC. (3) introduzca el estado de inactividad si no se pulsa ninguna tecla en 10 segundos. (4) Ciclo del estado de trabajo. En términos generales, considerar la conservación de energía de la batería de acuerdo con los métodos anteriores puede aumentar la vida útil de la batería en aproximadamente 40 veces. Por lo tanto, es muy importante considerar la conservación de energía de la batería en el diseño del software del sistema. 4   Unión   Practice has proved that nRF24E1 is very suitable for realizing the communication between wireless keyboard and PC. Sus ventajas: (1) nRF24E1 está integrado con 8051, que es más fácil de reducir el volumen. (2) La tecnología ShockBurst TM se adopta para hacer que la programación sea más conveniente. (3) es más fácil realizar la transmisión segura de la información del teclado. (4) la banda de frecuencia del transceptor de 2,4 GHz es una banda de frecuencia abierta global (5) El monitoreo de la batería es más conveniente y bajo consumo de energía. (6) el GPIO de nRF24E1 facilita la expansión de otras funciones, como la indicación LED.