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射頻SoC nRF9E5及無線數據傳輸系統的實現
摘要：介紹最新51兼容的射頻SoC(片上系統)nRF9E5的系統框架、各個組成部分、工作方式和配置方法；分析無線數據傳輸系統的結構和運用nRF9E5進行無線數據系統設計的通信協議；給出系統的硬件原理圖和程序流程圖；歸納nRF9E5在無線數據傳輸系統設計中的優勢。引言
nRF9E5是Nordic VLSI公司于2004年2月5日推出的系統級RF芯片，其內置nRF905 433/868/915MHz收發器、8051兼容微控制器和4輸入10位80ksps A/D轉換器，是真正的系統級芯片，如圖1所示。內置nRF905收發器與nRF905芯片的收發器一樣，可以工作于ShockBurst(自動處理前綴、地址和CRC)方式。內置電壓調整模塊，最大限度地抑制噪音，為系統提供1.9～3.6V的工作電壓，QFN5×5mm封裝，載波檢測。nRF9E5符合美國通信委員會和歐洲電信標準學會的相關標準。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很適用于無線數據傳輸系統的設計。
圖1
1 nRF9E5功能介紹
1.1 nRF9E5硬件
（1）微控制器
nRF9E5的片內微控制器與標準8051兼容，指令時序與標準8051稍有區別。典型的區別是：nRF9E5的片內微控制器的指令周期為4到20個指令周期。中斷控制器支持5個擴展中斷源：ADC中斷、SPI中斷、RADIO1中斷、RADIO2中斷和喚醒定時器中斷。片內控制器還有3個與8052相同的定時器。1個和8051相同的串口，可以用定時器1和定時器2來作為異步通信的波特率產生器。此外，還擴展了2個數據指針，以方便于從XRAM區讀取數據。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引導區中的代碼。用戶程序通常是在引導區的引導下，從EEROM加載到1個4KB的RAM中，這個4KB的RAM也可作存儲數據用。NRF9E5的大部分寄存器和標準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口寄存器地址和標準8051中的相同，都是0x80、0x90、0xA0,但功能和標準8051中的有所不同。
（2）CKLF時鐘、RTC喚醒定時器、GPIO喚醒和WTD
nRF9E5內有一個低頻的時鐘CKLF，該時鐘常開。當晶振開始工作后，CKLF頻率為4Hz；晶振不工作時，CKLF是一個低功耗RC晶振器，只要VDD≥1.8V，其連續工作。RTC喚醒定時器、WTD（看門狗）和GPIO喚醒全都工作在CKLF頻率，以保證芯片功耗工作時能夠完成這三個功能。RTC喚醒定時器是一個24位可編程控制的遞減計數器，WTD則是一個16位可編程控制遞減計數器。RTC喚醒定時器和WTD的循環周期一般在300μs～80ms，默認為1ms。RTC喚醒定時器也能作GPIO的輸出源，也就是說，當RTC喚醒定時器初始化時間發生溢出時，能夠產生一個用作GPIO輸出的程序脈沖。
（3）SPI接口和A/D轉換器
SPI（串行外設接口）的接口引腳有MISO（接收EEPROM的SDO送來的數據）、SCK（給EEPROM的SCK提供時鐘信號）、MOSI（送數據到EEPROM的SDI）、EECSN（給EEPROM的CSN送使能信號）。SPI口的MISO、SCK和MOSI與P1口的低3位重用，通過寄存器SPI_CTRL控制來控制功能間的撤換。SPI硬件不產生任何片選信號，可以用GPIO口來進行片選。通常，系統上電時，SPI自動和片外25320相連。當程序加載完成后，MISO（P1.2）、MOSI（P1.0）可能會用作其它用途，比如其它的SPI器件或GPIO。
nRF9E5片內有10位ADC，A/D轉換參考電壓可以通過軟件設置在AREF和1.22V之間（內部參考電壓）。A/D轉換器的4個輸入可通過軟件進行選擇，通道0～3可以把對應引腳AIN0～AIN3上的電壓值分別轉換為數字值，通道4用于對nRF9E5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。
圖3
（4）射頻收發器
nRF9E5收發器通過內部并行口或內部SPI口與其它模塊進行通信 ，具有同單片射頻收發器nRF905相同的功能。收發器通過片內MCU的并行口或SPI口與微控制器通信，數據準備好，載波檢測和地址匹配信號能夠作為微控制器和中斷。
nRF905工作于433/868/915MHz ISM頻段。收發器由1個完事的頻率合成器、1個功率放大器、1個調節呂和2個接收器組成。輸出功率、頻道和其它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，射頻電流消耗為11mA,接收模式下為12.5mA。為了節能，可通過程序控制收發器的開/關。
1.2 nRF9E5的收發方式
不同于nRF401和nRF903，nRF9E5使用SPI接口進行單片機與無線模塊間的數據傳輸。這部分在nRF9E5片內的8051內核與nRF905射頻收發器之間完成。nRF9E5片內的8051內核與nRF905射頻收發器之間完成。nRF905片內的8051內核與nRF905射頻收發器之間完成。nRF9E5的收發器有三種工作方式，ShockBurst接收（RX）方式、ShockBurst發送（TX）方式和空閑方式。當收發器在空閑方式下，微控器依然在運行。
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