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射频SoC nRF9E5及无线数据传输系统的实现
摘要：介绍最新51兼容的射频SoC(片上系统)nRF9E5的系统框架、各个组成部分、工作方式和配置方法；分析无线数据传输系统的结构和运用nRF9E5进行无线数据系统设计的通信协议；给出系统的硬件原理图和程序流程图；归纳nRF9E5在无线数据传输系统设计中的优势。引言
nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系统级RF芯片，其内置nRF905 433/868/915MHz收发器、8051兼容微控制器和4输入10位80ksps A/D转换器，是真正的系统级芯片，如图1所示。内置nRF905收发器与nRF905芯片的收发器一样，可以工作于ShockBurst(自动处理前缀、地址和CRC)方式。内置电压调整模块，最大限度地抑制噪音，为系统提供1.9～3.6V的工作电压，QFN5×5mm封装，载波检测。nRF9E5符合美国通信委员会和欧洲电信标准学会的相关标准。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很适用于无线数据传输系统的设计。
图1
1 nRF9E5功能介绍
1.1 nRF9E5硬件
（1）微控制器
nRF9E5的片内微控制器与标准8051兼容，指令时序与标准8051稍有区别。典型的区别是：nRF9E5的片内微控制器的指令周期为4到20个指令周期。中断控制器支持5个扩展中断源：ADC中断、SPI中断、RADIO1中断、RADIO2中断和唤醒定时器中断。片内控制器还有3个与8052相同的定时器。1个和8051相同的串口，可以用定时器1和定时器2来作为异步通信的波特率产生器。此外，还扩展了2个数据指针，以方便于从XRAM区读取数据。微处理器中有256B的数据RAM和512B的ROM。上电复位或软件复位后，处理器自动执行ROM引导区中的代码。用户程序通常是在引导区的引导下，从EEROM加载到1个4KB的RAM中，这个4KB的RAM也可作存储数据用。NRF9E5的大部分寄存器和标准8051相同，只是增加了一些特殊功能寄存器，如RADIO（P2）、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY、RCAP2L、RCAP2H、CKLFCON等。nRF9E5中的P0、P1和P2口寄存器地址和标准8051中的相同，都是0x80、0x90、0xA0,但功能和标准8051中的有所不同。
（2）CKLF时钟、RTC唤醒定时器、GPIO唤醒和WTD
nRF9E5内有一个低频的时钟CKLF，该时钟常开。当晶振开始工作后，CKLF频率为4Hz；晶振不工作时，CKLF是一个低功耗RC晶振器，只要VDD≥1.8V，其连续工作。RTC唤醒定时器、WTD（看门狗）和GPIO唤醒全都工作在CKLF频率，以保证芯片功耗工作时能够完成这三个功能。RTC唤醒定时器是一个24位可编程控制的递减计数器，WTD则是一个16位可编程控制递减计数器。RTC唤醒定时器和WTD的循环周期一般在300μs～80ms，默认为1ms。RTC唤醒定时器也能作GPIO的输出源，也就是说，当RTC唤醒定时器初始化时间发生溢出时，能够产生一个用作GPIO输出的程序脉冲。
（3）SPI接口和A/D转换器
SPI（串行外设接口）的接口引脚有MISO（接收EEPROM的SDO送来的数据）、SCK（给EEPROM的SCK提供时钟信号）、MOSI（送数据到EEPROM的SDI）、EECSN（给EEPROM的CSN送使能信号）。SPI口的MISO、SCK和MOSI与P1口的低3位重用，通过寄存器SPI_CTRL控制来控制功能间的撤换。SPI硬件不产生任何片选信号，可以用GPIO口来进行片选。通常，系统上电时，SPI自动和片外25320相连。当程序加载完成后，MISO（P1.2）、MOSI（P1.0）可能会用作其它用途，比如其它的SPI器件或GPIO。
nRF9E5片内有10位ADC，A/D转换参考电压可以通过软件设置在AREF和1.22V之间（内部参考电压）。A/D转换器的4个输入可通过软件进行选择，通道0～3可以把对应引脚AIN0～AIN3上的电压值分别转换为数字值，通道4用于对nRF9E5工作电压的监控。A/D转换器默认工作于10位方式，可通过软件使其工作于6位、8位或12位方式。
图3
（4）射频收发器
nRF9E5收发器通过内部并行口或内部SPI口与其它模块进行通信 ，具有同单片射频收发器nRF905相同的功能。收发器通过片内MCU的并行口或SPI口与微控制器通信，数据准备好，载波检测和地址匹配信号能够作为微控制器和中断。
nRF905工作于433/868/915MHz ISM频段。收发器由1个完事的频率合成器、1个功率放大器、1个调节吕和2个接收器组成。输出功率、频道和其它射频参数可通过对特殊功能寄存器RADIO（0xA0）编程进行控制。发射模式下，射频电流消耗为11mA,接收模式下为12.5mA。为了节能，可通过程序控制收发器的开/关。
1.2 nRF9E5的收发方式
不同于nRF401和nRF903，nRF9E5使用SPI接口进行单片机与无线模块间的数据传输。这部分在nRF9E5片内的8051内核与nRF905射频收发器之间完成。nRF9E5片内的8051内核与nRF905射频收发器之间完成。nRF905片内的8051内核与nRF905射频收发器之间完成。nRF9E5的收发器有三种工作方式，ShockBurst接收（RX）方式、ShockBurst发送（TX）方式和空闲方式。当收发器在空闲方式下，微控器依然在运行。
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