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基于nRF24E1的嵌入式2.4GHz无线接入系统

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作者：吴钊炯 ;张莹 ;刘新朝
1; 概述
在短距离的通信中 ， 无线技术被普遍看好 ， 其中射频技术因为功耗低和无方向性等优点而受到青睐 。
通信频率为2.4GHz的频段是全球开放的ISM(工业、科学和医学)频段 ， 使用者无需申请许可证 ， 给开发者和用户带来了很大方便；同时 ， 可以有效地避免低频段信号、各类电火花及家用电器的干扰 。因为这一频段具有这些优点 ， 其他的一些应用 ， 如蓝牙、WLAN ， 也是在这一频段；但蓝牙和WLAN对于工业控制、医疗传感器、住宅和楼宇自动化装置等设备来说 ， 过于复杂 ， 其成本也过高 ， 很难满足快速开发和低成本的要求 。因此 ， 目前迫切需要一种低成本、低功耗、能够快速开发应用的方案 ， 来实现设备的无线连接 。
另一方面 ， 经过多年的发展 ， TCP/IP协议已经成为目前被广泛应用于Internet的通信协议 。在嵌入式系统中实现TCP／IP协议栈 ， 利用Internet进行远程数据传送 ， 可以实现对远端设备运行状态的监视和控制 。
在嵌入式TCP/IP平台下利用工作频率为2.4GHz的无线收发模块nRF24E1 ， 进行短距离的点对多点的无线通信；用无线技术解决最后10m的通信问题 ， 可实现一种无线接入的解决方案 。
2; nRF24E1及其通信协议
2.1nRF24E1模块的基本特性
nRF24E1是北欧集成电路公司(Nordic)推出的一款带8051内核的无线收发模块 ， 内部结构如图1所示 。该模块的无线收发器工作于2.4GHz的ISM频段 ， 有多达125个的频点 ， 可通过改频和跳频来避免干扰 。nRF24E1的集成度非常高 ， 内部集成了增强型8051内核,2.4GHz无线收发器,100ksps的9路10位模数转换器 ， UART接口 ， SPI接口 ， PWM输出 ， 内置RC振荡器、看门狗和唤醒定时器以及专门的稳压电路 。所有高频元件包括电感、振荡器等 ， 全部集成在芯片内部 ， 因此芯片的性能稳定 ， 受外界环境的影响很小 。
nRF24E1采用36脚QFN(6mm×6mm)封装 ， 最大传输速率可达1Mb/s ， 灵敏度为一90 dBm ， 最大发射功率为O dBm；在较为理想的环境中 ， 室内传输距离可达30～40 m ， 室外传输距离可达100～200 m；其工作电压为1.9～3.3 V ， 工作温度范围为一40～ 80℃ 。
2.2nRF24E1之间的通信协议
nRF24E1的无线数据包格式为
其中 ， Preamble是前导码 ， 是硬件自动加上去的；ADDR是发送的地址 ， 为32～40位；PAYLOAD是有效数据；CRC是CRC校验和 ， 由内置CRC纠检错硬件电路自动加上 ， 可设为O、8或16位 。ADDR、PAYLOAD和CRC的总长度最大为256位 ， 因此 ， 设置较短的地址和校验和能提高传输效率 ， 但也使得可靠性降低 。
nRF24E1通过软件设置收发模式、收发频率、接收地址、发射功率、CRC校验和的长度、有效数据的长度等 。无线收发器有2个频道：频道1可以接收和发送；频道2只能接收 ， 且频道2的接收频率总比频道1高8MHz；同时 ， 每个芯片可以设置2个地址 。收发频率和地址随时都可以通过软件更改 ， 实现改频和跳频；但是 ， 必须通过通信协议解决好 ， 一致的频率和正确的地址才是数据传送的前提 。只有地址符合且校验和正确的包 ， 才能被进一步处理；若有一项不正确 ， 整个数据包就被硬件自动丢弃 。若地址与校验和相符 ， 则由硬件产生中断DRl或DR2 ， 8051才能将数据接收到缓冲区 。
在同一时刻 ， nRF24E1只能处于接收或发送模式中的一种 。一般以接收模式为待机状态 。
【基于nRF24E1的嵌入式2.4GHz无线接入系统】 3; 无线接入解决方案
系统的解决方案示意图如图2所示 。
nRF24E1主机是无线系统的要害部分 。它不但作为接入点 ， 负责与嵌入式TCP/IP模块交换数据 ， 同时也负责与其他无线模块通信 。

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