Технический обзор микросхемы приемопередатчика nRF24L01+

На сегодняшний день с использованием беспроводных технологий передачи данных функционируют сети цифровых устройств самых разных масштабов: от глобальных сетей операторов сотовой связи до микролокальных, предназначенных для взаимодействия самодельных радиолюбительских конструкций.

Компания Nordic Semiconductor занимается разработкой и производством систем-на-чипе (SoC) с ARM ядром и поддержкой беспроводной передачи данных, а также трансиверов, работающих в диапазоне 2.4 ГГц. Микросхемы используются для создания беспроводных клавиатур, гарнитур и других периферийных устройств персонального компьютера и мобильной электроники, пультов дистанционного управления, спортивного и медицинского оборудования.

Микросхема nRF24L01+

Однокристальный цифровой приемопередатчик nRF24L01+ предназначен для организации связи устройств на базе микроконтроллеров. Микросхема имеет корпус типа QFN с 20 выводами и размерами 33×14 мм. Рабочие частоты связи 2.400-2.4835 ГГц. Популярность решения среди радиолюбителей вызвана наличием выпускаемых промышленностью недорогих модулей с распаянной микросхемой, необходимой электронной обвязкой и антенной.

В состав приемопередатчика входят:

• •    Передатчик с программируемой выходной мощностью 0, -6, -12 или -18 dB;

• •    Приемник с автоматической регулировкой усиления;

• •    Синтезатор частот с задающим генератором на недорогом кварцевом резонаторе с частотой 16 МГц;

Рис. 1 – Приемопередатчик nRF24L01+

• •    Блок формирования пакетов данных Enhanced ShockBurst, реализующий функции канального уровня модели OSI и позволяющий работать с шестью независимыми абонентами;

• •    Блок управления питанием, включающий стабилизатор напряжения и поддерживающий ряд режимов пониженного энергопотребления;

• •    Блок для связи с микроконтроллером, позволяющий обмениваться данными по интерфейсу SPI и имеющий по 3 раздельных FIFO буфера для приема и передачи.

Помимо выводов, необходимых для реализации основных функций (питание, подключение антенны и кварцевого резонатора, линии интерфейса SPI) микросхема имеет следующие управляющие линии:

• •    Вывод CE используется для выбора режима приёма или передачи;

• •    Вывод IRQ может быть использован для генерации аппаратного прерывания, сигнализирующего внешнему устройству об окончании процесса передачи или приема пакета.

Приемопередатчик nRF24L01+ имеет встроенный ко-

Рис. 2 – Блок-схема nRF24L01+ (согласно [2])

нечный автомат для управления режимами работы. Он может пребывать в одном из четырех состояний: выключенном (Power Down), режиме бездействия (Standby), приема (RX) или передачи (TX). Переход автомата из одного состояния в другое может происходить при изменении уровня на выводе CE, опустошении буфера передачи и других событиях.

Находясь в режиме приема, микросхема производит демодуляцию полученного радиосигнала, передавая извлеченные биты протоколу канального уровня, процедуры которого выполняют поиск пакета данных. Если пакет данных был опознан (адрес приемника в пакете совпадает с адресом микросхемы и контрольная сумма CRC оказалась правильной), полезная нагрузка помещается в приемный буфер.

Приемопередатчик находится в режиме приема до тех пор, пока микроконтроллер не переведет его в режим Standby или Power Down. Однако, если используются функции Enhanced Shockburst, то может быть осуществлен автоматический переход в другие режимы.

Режим TX — активный режим передачи. Для перехода в него необходимо наличие данных в буфере передатчика и подача высокого уровня на вывод CE не менее 10 мкс. В этом режиме микросхема будет находиться до тех пор, пока не окончится передача пакета данных. Затем в зависимости от состояния вывода CE она может перейти в режим Standby (если CE=0), либо продолжить передачу если приемный буфер не пуст.

Для приема и передачи данных можно выбирать скорость 250 кБит/с, 1 Мбит/с, 2 Мбит/с. Снижение скорости приема позволяет увеличить чувствительность приемника, однако при высокой скорости обмена информацией снижается среднее потребление тока и вероятность возникновения коллизий, т.е. возникновения ситуации одновременной передачи с другими устройствами.

Для передачи используется 126 частотных каналов, каждый канал занимает полосу частот менее 1 МГц при скорости передачи 250 кБит/с и 1 МГц на скорости передачи 1 МГц. Для исключения взаимовлияния каналов расстояние между центральными частотами должно составлять не менее 2 МГц. Также существует возможность настройки коэффициента усиления выходного усилителя мощности.

Заявленная дальность связи при отсутствии препятствий до 1100 метров при скорости 250 кбит/c, при 1 Мбит/c

– 750 метров, при скорости 2 Мбит/c – 520 метров.

Enhanced ShockBurst

Микросхема поддерживает работу протокола канального уровня Enhanced ShockBurst, гарантирующего надежную передачу данных.

Рис. 3 – Пакет данных Enhanced ShockBurst

Заголовок (Preamble) представляет собой последовательность битов, сгенерированную автоматически на основе адреса абонента, необходимую для синхронизации приемника с передатчиком.

Поле адреса (Address) может иметь длину три, четыре или пять байт.

Поле управления пакетом (Packet Control Field) содержит 9 бит. Первые шесть бит определяют количество битов, содержащихся в поле полезной нагрузки (Payload). Следующие 2 бита нужны для того, чтобы определить новый ли пакет получил приемник или отправленный повторно. Последний бит говорит о том, надо ли высылать подтверждение получения пакета.

Контрольная сумма (CRC) рассчитывается по полю адреса, управляющему полю и полю данных. Если при приёме пакета контрольная сумма не совпала, то пакет игнорируется, никаких действий не предпринимается.

Получив пакет данных, приемник распознает адрес этого пакета и тем самым идентифицирует, какой передатчик его ему отправил. Далее приемник высылает пакет подтверждения приёма с таким же адресом, как и принятый пакет. Если это сделать ему не удалось, то он посылает его еще раз, при этом количество таких попыток можно задать программно. Если же отправить данные в итоге не получилось, то генерируется прерывание.