Transceptor de nível de sistema RF Chip NRF24E1 e sua aplicação em teclado sem fio

O transceptor NRF24E1 é um chip RF de nível de sistema lançado pela Nordic VLSI. Processo CMOS avançado de 0,18 M, pacote QFN de 6 6mm e 36 pinos, baseado na estrutura do chip RF nRF2401, integra RF, 8051mcu, ADC de 10 bits de 9 entradas, canal 125, UART, SPI, PWM, RTC e WDT em um único chip, com regulador de tensão interna (tensão de trabalho 1.9 3.6V, Recomendado tensão de trabalho 3.3V) e monitoramento de tensão VDD, e o tempo de comutação do canal é inferior a 200 s. A taxa de dados é de 1Mbps, o decibel de saída RF máximo é 0dB e serra externa (medidor de som) não é necessário Filtro. NRF24E1 é o primeiro e universal chip de nível de sistema de RF de baixo custo com uma banda de transceptor de 2,4 GHz. É adequado para teclado e mouse sem fio, terminal portátil sem fio, identificação de frequência sem fio, vídeo digital, controle remoto, eletrônicos automotivos e outras aplicações de alta velocidade sem fio de curto alcance. 1   Introdução ao microprocessador nRF24E1 1.1, o sistema de instruções do microprocessador nRF24E1 é compatível com o sistema de instruções do padrão da indústria 8051, mas o tempo de execução da instrução é ligeiramente diferente. Geralmente, o tempo de execução de cada instrução de nRF24E1 é de 4 20 ciclos de clock, enquanto o do padrão da indústria 8051 é de 12 48 ciclos de clock. NRF24E1 aumenta ADC, SPI e R em comparação com o padrão da indústria 8051 Cinco fontes de interrupção são o receptor f 1, o receptor RF 2 e o temporizador de despertar; três temporizadores são iguais a 8052. NRF24E1 contém um UART que é o mesmo que 8051. No modo de comunicação assíncrona tradicional, o temporizador 1 e o temporizador 2 podem ser usados como UART (porta serial) Para facilitar a transferência de dados com a área RAM externa, a CPU do nRF24E1 também integra dois ponteiros de dados, e o relógio de seu microcontrolador vem diretamente do oscilador de cristal. O diagrama do módulo funcional de nRF24E1 é mostrado na Figura 1.

Existem 256b dados RAM e 512b ROM no microprocessador. Após a redefinição de energia ou redefinição de software, o processador executa automaticamente o código na área de inicialização da ROM. O programa do usuário geralmente é carregado de E2PROM em uma RAM de 4KB (o ram também pode ser usado para armazenar dados) sob a orientação da área de inicialização. Se a máscara ROM (ou seja, A ROM incluída) não é usada no aplicativo, o código do programa deve ser carregado a partir da memória externa não volátil. É comum estender o E2PROM por meio da interface SPI, e o modelo é recomendado para 25320. Comparado com o padrão 8051, o microcontrolador do nRF24E1 adiciona algumas novas funções, portanto, alguns registros de funções especiais são adicionados de acordo para controlar essas novas funções. Os novos registros de funções especiais são rad IO (P2), adccon, adcdatah, adcdatal, adcstatic, pwmcon, pwmduty, etc. No microcontrolador do nRF24E1, os registros das portas P0 e P1 também são diferentes daqueles do padrão 8051, e outros registros de funções especiais são os mesmos do padrão 8051. 1.2 A interface PWM e SPI nRF24E1 possui uma saída PWM programável.

Durante o uso, dio9 (ou seja, P0.7) pode ser alterado por programa. Pode ser programado para determinar que o PWM funciona em 6 bits, 7 bits ou 8 bits. As três portas do SPI são reutilizadas com GPIO (din0, dio0 e dio1) e transceptor RF. O hardware SPI não gera nenhum sinal de seleção de chip. Geralmente, o bit GPIO (porta P0) é usado como a porta de seleção de chip do equipamento SPI externo. 1.3 Temporizador de despertar RTC, oscilador WTD e RC. Há um oscilador RC de baixa potência no nRF24E1, que pode funcionar continuamente quando VDD 1.8V, independente da aplicação. Temporizador de despertar RTC e WTD (watchdog) São dois temporizadores programáveis de 16 bits cujo relógio de trabalho é lp_osc do oscilador RC.

O tempo de temporização do cronômetro de despertar e do watchdog é de cerca de 300 S 80ms, e o valor padrão é de 10ms. 1.4 o conversor A/D nRF24E1 tem 9 canais de ADC de 10 bits, e o tempo de conversão linear é de 48 ciclos de instrução de CPU por 10 bits. As 9 entradas do conversor A/D podem ser selecionadas por software. Os canais 0 7 podem converter os valores de tensão nos pinos correspondentes ain0ain7 em valores digitais, e o canal 8 é usado para monitorar a tensão de trabalho do nRF24E1. O conversor A/D funciona em 10 bits por modo padrão, que pode funcionar no modo de 6 bits, 8 ou 12 bits por meio de software. 1.5 transceptor sem fio nRF24E1 transceptor se comunica com outros módulos através da porta paralela interna ou porta SPI interna, e sua função é a mesma que a do transceptor RF de chip único nRF2401. A saída do sinal de espera de dados pelo receptor duorreceptor pode ser transformada em sinal de interrupção do microprocessador por meio do programa ou transmitida para CP por meio da porta GPIO U. NRF2401 opera na banda de frequência global aberta 2.4G 2.5GHz. O transceptor consiste em um sintetizador de frequência completo, um amplificador de potência, um regulador e dois receptores. A potência de saída, o canal e outros parâmetros de RF podem ser controlados programando o rádio de registro de função especial (0xa0). No modo de transmissão, o consumo de corrente de RF é de apenas 10,5ma e no modo de recepção, 18ma (a economia de energia pode ser alcançada pelo programa que controla o on / off do transceptor). 2   O conhecimento básico do teclado sem fio do teclado sem fio usa o modo sem fio para se comunicar entre o teclado e o PC. O módulo sem fio é geralmente realizado pela tecnologia RF ou tecnologia Bluetooth.

Devido ao protocolo complexo, alto custo e longo ciclo de desenvolvimento da tecnologia Bluetooth, muitos teclados sem fio usam tecnologia RF para realizar a conexão sem fio. No campo da RF, empresa nórdica VLSI da Noruega O desempenho de nossos chips de RF é muito excelente. Nossos produtos incluem principalmente a série nRF401, a série nRF903, a série nRF2401 e a série nRF24E1. Este artigo apresenta o método de design de usar nRF24E1 para realizar o teclado sem fio.

A maioria dos teclados sem fio é alimentada por baterias, então muitas tecnologias de economia de energia são necessárias. Para fins de economia de energia, muitos teclados sem fio não usam "num lock", "caps lock" e "scroll lock" em teclados com fio Esses três indicadores LED. Além disso, o teclado sem fio deve razoavelmente e efetivamente usar o módulo RF. O pacote de dados RF do teclado para o PC pode conter até 8 pressionamentos de tecla. A matriz de varredura do teclado é digitalizada cerca de 500 vezes por segundo. Geralmente, não mais do que 1 pressionamento de tecla é detectado em cada ciclo de varredura. Porque as pessoas não podem sentir o atraso de detecção de 150ms, quando o teclado detecta 1 pressionamento de tecla e envia Depois de enviar o pacote de dados RF para o PC, ele pode ficar ocioso por mais de 150ms até que a próxima tecla seja pressionada, que pode minimizar o tempo de trabalho do módulo RF [2] 3. Para o teclado que só precisa enviar dados, o uso de nrf24e2 pode atender às necessidades do teclado geral. Se o teclado for necessário não apenas enviar informações, mas também receber feedback do PC, nRF24E1 precisa ser usado como o módulo sem fio no teclado. O transceptor bidirecional é mais propício para cifrar, retransmissão de pacotes e economia de energia quando o sistema é desligado. 3   A aplicação de nRF24E1 no teclado sem fio 3.1 teclado matriz de digitalização o modo de interface entre nRF24E1 e teclado sem fio é mostrado na Figura 2. O teclado PC comum tem 104 teclas, enquanto a matriz de teclado mostrada na Figura 2 tem 8 linhas e 20 colunas, e até 160 chaves podem ser definidas. Durante o processo de design, algumas chaves não podem ser definidas. Cada chave é organizada na interseção de linhas e colunas. Quando a tecla é pressionada Para digitalizar a matriz do teclado, nRF24E1 envia o sinal de varredura da coluna para o registro de deslocamento em sequência. O sinal de varredura da coluna consiste em 1 "0" e 19 "1" e "0" Mover para trás bit a bit no registro de deslocamento, e o status da linha do teclado é digitalizado uma vez para cada movimento. Se uma tecla nesta coluna for pressionada, o valor da linha correspondente à chave é "0" e outros são "1".

No processo de digitalização do teclado, a tecla pode tremer, então o problema de jitter deve ser considerado ao escrever software. Métodos comuns de jitter: uma vez que o sistema detecta que uma tecla é pressionada, ele atrasará 30 50ms antes de detectar a tecla. Se o estado da chave detectada ainda estiver pressionado, a tecla será tratada como pressionada uma vez. 3.2 O software de sistema NRF24E1 possui 4KB de RAM no chip, o que é suficiente para software de teclado. Depois que o sistema for ligado, o programa em E2PROM será baixado automaticamente para o ram 4KB, e MCU pode ler e escrever diretamente o código na RAM. As funções do software de teclado: (1) fornecem informações de varredura de coluna exigidas pelo registro de deslocamento. (2) leia o valor de digitalização de viagem. (3) Detectar que a tecla está pressionada e de jittered. (4) enviar as informações digitalizadas da tecla pressionada para o PC. (5) ciclo de estado de poupança de energia. O teclado sem fio deve usar tecnologia de economia de energia para prolongar a vida útil da bateria. A tecnologia ShockBurst TM do nRF2401 no chip nRF24E1 foi projetada para economizar energia para os usuários, portanto, os designers não podem considerar a economia de energia ao escrever software. No entanto, os designers devem considerar como reduzir ainda mais a corrente quando o sistema está ocioso. Quando o oscilador de cristal do nRF2401 é de 16mhz, sua corrente de trabalho do núcleo 8051 no chip é de 3mA. Como o teclado funciona periodicamente, o tempo ocioso do teclado é muito longo em comparação com o tempo de trabalho. Portanto, quando o teclado não funciona, é necessário definir o 8051 no chip para o estado ocioso, e a corrente de trabalho do 8051 no chip no estado ocioso é de apenas 2 A. Isso é usado para reduzir o consumo de bateria. As tarefas do sistema em estado ocioso e estado de trabalho são as seguintes. Estado ocioso: (1) completar toda a digitalização do teclado (cerca de 0,5 ms). (2) insira o estado de trabalho se uma tecla for pressionada. (3) defina 8051 para o estado ocioso e o tempo de ativação do RTC para 20ms. (4) ciclo de estado ocioso. Estado de trabalho: (1) digitalizar o teclado 500 vezes por segundo. (2) enviar todas as informações-chave para o PC. (3) insira o estado ocioso se nenhuma tecla for pressionada dentro de 10 segundos. (4) Ciclo do estado de trabalho. De um modo geral, considerando a conservação de energia da bateria de acordo com os métodos acima pode aumentar a vida útil da bateria em cerca de 40 vezes. Portanto, é muito importante considerar a conservação de energia da bateria no design do software do sistema. 4   Junção   A prática provou que nRF24E1 é muito adequado para realizar a comunicação entre o teclado sem fio e o PC. Suas vantagens: (1) nRF24E1 é incorporado com 8051, que é mais fácil reduzir o volume. (2) A tecnologia ShockBurst TM é adotada para tornar a programação mais conveniente. (3) é mais fácil realizar a transmissão segura de informações do teclado. (4) a banda de frequência do transceptor de 2,4 GHz é uma banda de frequência aberta global (5) O monitoramento da bateria é mais conveniente e baixo consumo de energia. (6) o GPIO do nRF24E1 facilita a expansão de outras funções, como indicação de LED.