系統級RF收發芯片nRF24E1及其在無線鍵盤中的應用

nRF24E1收發器是Nordic VLSI推出的系統級射頻芯片。采用先進的0.18μm CMOS工藝、6×6mm的36引腳 QFN封裝，以nRF2401 RF芯片結構為基礎，將射頻、8051MCU、9輸入10位ADC、125通道、UART、SPI、PWM、RTC、WDT全部集成到單芯片中，內部有電壓調整器（工作電壓1.9～3.6V，推薦工作電壓為3.3V)和VDD電壓監視，通道開關時間小于200μs，數據速率1Mbps，最大射頻輸出分貝數0dB，不需要外接SAW(聲表)濾波器。nRF24E1是全球最早推出且全球通用的收發頻段為2.4GHz的、完整的低成本射頻系統級芯片。適用于無線鍵盤和鼠標、無線手持終端、無線頻率識別、數字視頻、遙控和汽車電子及其他短距離無線高速方面的應用。
1?nRF24E1簡介
1.1 微處理器
　　nRF24E1微處理器的指令系統與工業標準8051的指令系統兼容，但二者的指令執行時間稍有不同。通常，nRF24E1的每條指令執行時間為4～20個時鐘周期，而工業標準8051的每條指令執行時間為12～48個時鐘周期。nRF24E1比工業標準8051增加了ADC、SPI、RF接收器1、RF接收器2和喚醒定時器5個中斷源；3個與8052一樣的定時器。nRF24E1內含有1個與8051相同的UART，在傳統的異步通信方式下，可用定時器1和定時器2作為UART(串口)的波特率發生器。為了便于和外部RAM區進行數據傳遞，nRF24E1的CPU還集成2個數據指針，其微控制器的時鐘直接來源于晶振。nRF24E1功能模塊圖如圖1所示。

　　微處理器中有256B的數據RAM和512B的ROM。上電復位或軟件復位后，處理器自動執行ROM中引導區中的代碼。用戶程序通常是在引導區的引導下，從E²PROM加載到1個4KB的RAM中(該RAM也可作存儲數據用)。如果應用中不用掩膜ROM（即內含的ROM），程序代碼必須從外部非易失性存儲器中加載。比較常見的是通過SPI接口擴展E²PROM，型號推薦為25320。
　　與標準8051相比，因nRF24E1的微控制器增加了一些新的功能，因此也相應地增加了一些特殊功能寄存器來對這些新增的功能進行控制。新增的特殊功能寄存器有RADIO(P2)、ADCCON、ADCDATAH、ADCDATAL、ADCSTATIC、PWMCON、PWMDUTY等。nRF24E1的微控制器中，P0和P1口的寄存器也和標準8051的有所不同，其他特殊功能寄存器與標準8051的相同。
1.2 PWM和SPI接口
　　nRF24E1有一個可編程控制的PWM輸出，使用時，通過程序可改變DIO9(即P0.7)的功能，并可編程決定PWM工作于6位、7位或8位。
　　SPI的3個口與GPIO(DIN0、DIO0、DIO1)和RF收發器重用。SPI硬件不產生任何片選信號，通常，用GPIO的位(P0口)作為外部SPI設備的片選口。
1.3 RTC喚醒定時器、WTD和RC振蕩器
　　nRF24E1內有一個低功耗的RC振蕩器，當V_DD≥1.8V時，可連續工作，和應用程序無關。RTC喚醒定時器和WTD(看門狗)為2個16位可編程定時器，它們的工作時鐘為RC振蕩器的LP_OSC。喚醒定時器和看門狗的定時時間約為300μs～80ms，默認值為10ms。
1.4 A/D轉換器
　　nRF24E1內有9通道10位ADC，線性轉換時間為每10位48個CPU指令周期。A/D轉換器的9個輸入可通過軟件進行選擇，通道0～7可以把對應引腳AIN0～AIN7上的電壓值轉換為數字值，通道8用于對nRF24E1工作電壓的監控。A/D轉換器默認工作于10位方式，可通過軟件使其工作于6位、8位或12位方式。
1.5 無線收發器
　　nRF24E1收發器通過內部并行口或內部SPI口與其他模塊進行通信，其功能與單片射頻收發器nRF2401相同。DuoCeiver接收器輸出的數據準備信號，可通過程序使其成為微處理器的中斷信號或通過GPIO口傳給CPU。nRF2401工作于全球開放的2.4G～2.5GHz頻段。收發器由1個完整的頻率合成器、1個功率放大器、1個調節器和2個接收器組成。輸出功率、頻道和其他射頻參數可通過對特殊功能寄存器RADIO（0xA0）編程進行控制。發射模式下，射頻電流消耗僅為10.5mA，接收模式下為18mA(可通過程序控制收發器的開/關來節能）。
2?無線鍵盤的基本知識
　　無線鍵盤使用無線的方式在鍵盤與PC間進行通信，其中的無線模塊一般用射頻技術或藍牙技術來實現。由于藍牙技術協議復雜、成本高和開發周期長，所以，目前的許多無線鍵盤都是用射頻技術來實現無線連接。在射頻領域，挪威Nordic VLSI公司的射頻芯片的性能非常出眾，其產品主要有nRF401系列、nRF903系列、nRF2401系列和nRF24E1系列。本文介紹的即是采用nRF24E1來實現無線鍵盤的設計方法。

無線鍵盤大部分都由電池供電，所以需要用到許多節能技術。基于節能的目的，許多無線鍵盤沒有使用有線鍵盤上的“Num Lock”、“Caps Lock”、“Scroll Lock”這3個LED指示燈。另外，無線鍵盤應該合理有效地使用RF模塊，從鍵盤到PC的RF數據包可能包含多達8個的擊鍵信息。鍵盤掃描矩陣約每秒鐘掃描500次，一般每個掃描周期內，所檢測到的擊鍵不多于1個。因為人感覺不到150ms的檢測延時，所以，當鍵盤檢測到1個擊鍵和發送RF數據包到PC后，可以空閑150ms以上的時間，直到有下一個按鍵被按下，這樣可以盡量減少RF模塊的工作時間[2]。
　　對于只需要發送數據的鍵盤，使用nRF24E2即能滿足一般鍵盤的需要。如果要求鍵盤不僅能夠發送信息而且還要接收PC機反饋信息，則需要使用nRF24E1來做鍵盤中的無線模塊。雙向收發更利于實現密碼編制、數據包重發和當系統關閉時鍵盤處于節能狀態。
3?nRF24E1在無線鍵盤中的應用
3.1 鍵盤掃描矩陣
　　nRF24E1與無線鍵盤的接口方式如圖2所示。普通PC鍵盤的按鍵是104個，而圖2所示的鍵盤矩陣為8行20列，最多可定義160個按鍵開關。設計過程中，其中的某些按鍵可以不進行定義。每個按鍵布置在行列交接處，當按鍵被按下時，與該按鍵相接的行和列即被短接。為了進行鍵盤矩陣掃描，nRF24E1按時序把列掃描信號送到移位寄存器。列掃描信號由1個“0”和19個“1”組成，“0”在移位寄存器中逐位往后移，每移動1次，鍵盤行的狀態就被掃描1次。如果此列的某按鍵被按，則與該按鍵相對應的行值為“0”，其他的為“1”。

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　　在鍵盤掃描的過程中，按鍵可能會出現抖動，因此編寫軟件時應該考慮到去抖動問題。常用的去抖動方法：一旦系統檢測到某按鍵被按下，則延時30～50ms后再去檢測該按鍵。如果此時檢測到的該按鍵狀態還是被按下狀態，就把該按鍵當作被按下一次處理。
3.2 系統軟件
　　nRF24E1有4KB的片內RAM，這對于鍵盤軟件已經夠用。系統上電后，E²PROM中的程序自動下載到該4KB的RAM中，MCU即可直接對RAM中的代碼進行讀寫。
　　鍵盤軟件的功能：
　　(1)提供移位寄存器所需要的列掃描信息。
　　(2)讀出行掃描值。
　　(3)檢測按鍵被按下和去抖動。
　　(4)發送掃描到的被按下按鍵的信息到PC。
　　(5)節能狀態循環。
　　無線鍵盤應該使用節能技術以延長電池的壽命。nRF24E1片內nRF2401的ShockBurstTM技術是為用戶節能設計的，所以設計人員在編寫軟件時可以不考慮節能問題。但是，設計人員應該考慮在系統空閑時怎樣進一步減小電流。
　　nRF2401的晶振為16MHz時，其片內的8051內核工作電流為3mA。由于鍵盤是周期性工作的，相對工作時間來說，鍵盤的空閑時間很長。所以，當鍵盤不工作時，有必要把片內8051設為空閑狀態，且片內8051空閑狀態的工作電流只有2μA，用此來減小電池消耗。系統在空閑狀態和工作狀態時的任務分述如下。
　　空閑狀態：
　　（1）完成所有的鍵盤掃描(約需要0.5ms)。
　　（2）如果有按鍵被按下，則進入工作狀態。
　　（3）把8051設為空閑狀態，同時RTC的喚醒時間設為20ms。
　　（4）空閑狀態循環。
　　工作狀態：
　　（1）每秒鐘掃描鍵盤500次。
　　（2）發送所有的按鍵信息給PC。
　　（3）如果10秒鐘內沒有按鍵被按下，則進入空閑狀態。
　　（4）工作狀態循環。
　　一般來說，按照上述方法考慮電池節能的問題，可以使電池的壽命提高約40倍。所以，在系統軟件設計時，進行電池節能的考慮至關重要。
4? 結? 論
　　實踐證明，nRF24E1非常適合用來實現無線鍵盤與PC機之間的通信，其優點：
　　（1）nRF24E1內嵌8051，更易于減小體積。
　　（2）采用了ShockBurstTM技術，使編程更方便。
　　（3）更易于實現安全的鍵盤信息發送。
　　（4）2.4GHz的收發頻段為全球開放頻段。
　　（5）電池監管更方便，并且功耗低。
　　（6）nRF24E1具有的GPIO使得擴展其他功能，如LED指示等更加容易。