Уровень системы RF трансивер чип NRF24E1 и его применение в беспроводной клавиатуре

Приемопередатчик NRF24E1-это радиочастотный чип системного уровня, выпущенный Nordic VLSI. Усовершенствованный CMOS-процесс 0,18 м, 6-миллиметровый 36-контактный пакет QFN, основанный на структуре радиочастотного чипа nRF2401, объединяет RF, 8051mcu, 9-входной 10-битный ADC, 125-канальный, UART, SPI, PWM, RTC и WDT в один чип, с внутренним регулятором напряжения (рабочее напряжение 1,9 3,6 V, Рекомендуемое рабочее напряжение 3,3 В) и мониторинг напряжения VDD, время переключения канала составляет менее 200 с. Скорость передачи данных составляет 1 Мбит/с, максимальная выходная децибел RF составляет 0 дБ, а внешняя пила (звукоизмеритель) не требуется фильтр. NRF24E1 является первым и универсальным недорогим чипом уровня системы RF с диапазоном приемопередатчика 2, 4 ГГц. Он подходит для беспроводной клавиатуры и мыши, беспроводного портативного терминала, беспроводной частотной идентификации, цифрового видео, дистанционного управления, автомобильной электроники и других беспроводных высокоскоростных приложений ближнего действия. 1   Введение в микропроцессор nRF24E1 1,1, система инструкций микропроцессора nRF24E1 совместима с системой инструкций отраслевого стандарта 8051, но время выполнения их инструкций немного отличается. Как правило, время выполнения каждой инструкции nRF24E1 составляет 4 20 тактовых цикла, а время выполнения отраслевого стандарта 8051-12 48 тактовых циклов. NRF24E1 увеличивает ADC, SPI и R по сравнению с отраслевым стандартом 8051 Пять источников прерывания-это приемник f 1, радиочастотный приемник 2 и таймер пробуждения; три таймера такие же, как 8052. NRF24E1 содержит один UART, который является таким же, как 8051. В традиционном асинхронном режиме связи таймер 1 и таймер 2 могут использоваться как UART (последовательный порт). Для облегчения передачи данных с внешней областью ОЗУ ЦП nRF24E1 также объединяет два указателя данных, а часы его микроконтроллера напрямую исходит от кристаллического генератора. Схема функциональных модулей nRF24E1 показана на рисунке 1.

В микропроцессоре есть 256b RAM данных и 512b ROM. После сброса питания или сброса программного обеспечения процессор автоматически выполняет код в области загрузки ПЗУ. Пользовательская программа обычно загружается из E2PROM в ОЗУ 4 КБ (оперативная память также может использоваться для хранения данных) под руководством области загрузки. Если маска ROM (т. е. Прилагаемое ПЗУ) не используется в приложении, программный код должен быть загружен из внешней энергонезависимой памяти. E2PROM обычно расширяется через интерфейс SPI, и модель рекомендуется иметь 25320. По сравнению со стандартом 8051, микроконтроллер nRF24E1 добавляет некоторые новые функции, поэтому некоторые специальные регистры функций добавляются соответственно для управления этими новыми функциями. Новые регистры специальных функций: rad IO (P2), adccon, adcdatah, adcdatal, adcstatic, pwmcon, pwmduty и т. Д. В микроконтроллере nRF24E1 регистры портов P0 и P1 также отличаются от регистров стандартных 8051, а другие регистры специальных функций такие же, как у стандартных 8051. 1,2 PWM и интерфейс SPI nRF24E1 имеет программируемый выход PWM.

Во время использования, dio9 (т. е. P0.7) может быть изменен программой. Его можно запрограммировать, чтобы определить, что PWM работает в 6-битном, 7-битном или 8-битном. Три порта SPI повторно используются с GPIO (din0, dio0 и dio1) и радиочастотным приемопередатчиком. Аппаратное обеспечение SPI не генерирует сигнал выбора чипа. Как правило, бит GPIO (порт P0) используется в качестве порта выбора микросхемы внешнего оборудования SPI. 1,3 RTC таймер пробуждения, WTD и RC генератор. В nRF24E1 имеется маломощный радиоуправляемый генератор, который может работать непрерывно, когда VDD 1,8 V, независимо от приложения. Таймер пробуждения RTC и WTD (сторожевой таймер) Это два 16-битных программируемых таймера, рабочие часы которых являются lp_osc RC генератора.

Время синхронизации таймера пробуждения и сторожевого пса составляет около 300 S 80 мс, а значение по умолчанию-10 мс. 1,4 A / D преобразователь nRF24E1 имеет 9 каналов 10-битного АЦП, а время линейного преобразования составляет 48 циклов команд ЦП на 10 бит. 9 входов A / D конвертера могут быть выбраны программным обеспечением. Каналы 0 7 могут преобразовывать значения напряжения на соответствующих штифтах ain0 ain7 в цифровые значения, а канал 8 используется для мониторинга рабочего напряжения nRF24E1. Преобразователь A / D работает с 10 битами по умолчанию Mode, который может работать в 6-битном, 8-битном или 12-битном режиме с помощью программного обеспечения. 1,5 беспроводной приемопередатчик nRF24E1, приемопередатчик связывается с другими модулями через внутренний параллельный порт или внутренний порт SPI, и его функция такая же, как у однокристального радиочастотного приемопередатчика nRF2401. Выходной сигнал ожидания данных приемником duoreceiver можно превратить в сигнал прерывания микропроцессора через программу или передать на CP через порт GPIO U. NRF2401 работает в глобальной открытой полосе частот 2,4G 2, 5 ГГц. Приемопередатчик состоит из полного синтезатора частоты, усилителя мощности, регулятора и двух приемников. Выходная мощность, канал и другие параметры RF могут контролироваться путем программирования специальной функции регистра радио (0xa0). В режиме передачи потребление РЧ-тока составляет всего 10,5 мА, а в режиме приема-18 мА (экономия энергии может быть достигнута программой, управляющей включением/выключением приемопередатчика). 2   Базовые знания беспроводной клавиатуры беспроводная клавиатура использует беспроводной режим для связи между клавиатурой и ПК. Беспроводной модуль обычно реализуется технологией RF или технологией Bluetooth.

Из-за сложного протокола, высокой стоимости и длительного цикла разработки технологии Bluetooth многие беспроводные клавиатуры используют радиочастотную технологию для реализации беспроводного соединения. В области RF, Nordic VLSI компания Норвегии Производительность наших RF-чипов очень выдающаяся. Наши продукты в основном включают серии nRF401, серии nRF903, серии nRF2401 и серии nRF24E1. В этой статье представлен метод проектирования использования nRF24E1 для реализации беспроводной клавиатуры.

Большинство беспроводных клавиатур питаются от батарей, поэтому необходимо множество энергосберегающих технологий. В целях энергосбережения многие беспроводные клавиатуры не используют «блокировку num», «блокировку колпачков» и «блокировку прокрутки» на проводных клавиатурах. Эти три светодиодных индикатора. Кроме того, беспроводная клавиатура должна разумно и эффективно использовать модуль RF. Пакет данных RF от клавиатуры к ПК может содержать до 8 нажатий клавиш. Матрица сканирования клавиатуры сканируется около 500 раз в секунду. Как правило, в каждом цикле сканирования обнаруживается не более 1 нажатия клавиши. Поскольку люди не чувствуют задержку обнаружения в 150 мс, когда клавиатура обнаруживает 1 нажатие клавиши и отправляет после отправки пакета данных RF на ПК, она может простаивать более 150 мс, пока не будет нажата следующая клавиша, которые могут минимизировать время работы RF модуля [2] 3. Для клавиатуры, которой нужно только отправлять данные, использование nrf24e2 может удовлетворить потребности общей клавиатуры. Если клавиатура должна не только отправлять информацию, но и получать обратную связь с ПК, nRF24E1 необходимо использовать в качестве беспроводного модуля в клавиатуре. Двустороннее трансивер более способствует шифровке, повторной передаче пакетов и экономии энергии при выключении системы. 3   Применение nRF24E1 в беспроводной клавиатуре 3,1 матрица сканирования клавиатуры режим интерфейса между nRF24E1 и беспроводной клавиатурой показан на рисунке 2. Обычная клавиатура ПК имеет 104 клавиши, в то время как матрица клавиатуры, показанная на рисунке 2, имеет 8 строк и 20 столбцов, и может быть определено до 160 переключателей клавиш. Во время процесса проектирования некоторые ключи не могут быть определены. Каждая клавиша расположена на пересечении строк и столбцов. Когда клавиша нажата. Для сканирования матрицы клавиатуры nRF24E1 последовательно отправляет сигнал сканирования столбца в регистр сдвига. Сигнал сканирования столбцов состоит из 1 «0» и 19 «1» и «0». Перемещение назад по битам в регистре сдвига, а состояние строки клавиатуры сканируется один раз для каждого движения. Если клавиша в этом столбце нажата, значение строки, соответствующее ключу, равно «0», а другие-«1».

В процессе сканирования клавиатуры клавиша может дрожать, поэтому при написании программного обеспечения следует учитывать проблему de jitter. Общие методы de jitter: как только система обнаружит нажатие клавиши, она задержится на 30 50 мс перед обнаружением клавиши. Если обнаруженное ключевое состояние все еще нажата, ключ будет обрабатываться как нажатый один раз. 3,2 системное программное обеспечение NRF24E1 имеет 4 КБ встроенной оперативной памяти, чего достаточно для программного обеспечения клавиатуры. После того, как система будет включена, программа в E2PROM будет автоматически загружена на 4KB ram, а MCU сможет напрямую читать и записывать код в RAM. Функции программного обеспечения клавиатуры: (1) предоставляют информацию о сканировании столбцов, требуемую регистром сдвига. (2) читать значение сканирования путешествия. (3) Обнаружить, что клавиша нажата и не поежится. (4) отправить отсканированную информацию нажатой клавиши на ПК. (5) Энергосберегающий государственный цикл. Беспроводная клавиатура должна использовать энергосберегающую технологию, чтобы продлить срок службы батареи. Технология ShockBurst TM nRF2401 на чипе nRF24E1 предназначена для экономии энергии для пользователей, поэтому дизайнеры не могут учитывать экономию энергии при написании программного обеспечения. Однако разработчикам следует подумать о том, как еще больше снизить ток, когда система простаивает. Когда кристаллический осциллятор nRF2401 составляет 16 мГц, его рабочий ток встроенного сердечника 8051 составляет 3 мА. Поскольку клавиатура работает периодически, время простоя клавиатуры очень долго по сравнению с рабочим временем. Следовательно, когда клавиатура не работает, необходимо установить встроенный 8051 в состояние холостого хода, а рабочий ток на кристалле 8051 в состоянии холостого хода составляет всего 2 А. Это используется для уменьшения потребления батареи. Задачи системы в неработающем и рабочем состоянии заключаются в следующем. Состояние холостого состояния: (1) завершить все сканирование клавиатуры (около 0,5 мс). (2) введите рабочее состояние, если нажата клавиша. (3) установить 8051 в состояние ожидания и время пробуждения RTC до 20 мс. (4) цикл состояния холостого состояния. Рабочее состояние: (1) сканировать клавиатуру 500 раз в секунду. (2) отправить всю ключевую информацию на ПК. (3) введите состояние холостого хода, если ни одна клавиша не нажата в течение 10 секунд. (4) цикл рабочего состояния. Вообще говоря, рассмотрение энергосбережения батареи в соответствии с вышеуказанными методами может увеличить срок службы батареи примерно в 40 раз. Поэтому очень важно учитывать энергосбережение батареи при проектировании системного программного обеспечения. 4   Соединительный   Практика доказала, что nRF24E1 очень подходит для реализации связи между беспроводной клавиатурой и ПК. Его преимущества: (1) nRF24E1 встроен в 8051, что легче уменьшить громкость. (2) Технология ShockBurst TM используется для более удобного программирования. (3) легче реализовать безопасную передачу информации о клавиатуре. (4) полоса частот приемопередатчика 2,4 ГГц является глобальной открытой полосой частот (5) Мониторинг батареи более удобен и низкое энергопотребление. (6) GPIO nRF24E1 упрощает расширение других функций, таких как светодиодная индикация.