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基于nRF24E1的嵌入式2.4GHz无线接入系统
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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2.4 GHz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2.4 GHz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10 m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
2.1 nRF24E1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2.4 GHz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,2.4 GHz无线收发器,100 ksps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(6 mm×6 mm)封装，最大传输速率可达1 Mb/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℃。
2.2 nRF24E1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8 MHz；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。
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主机是无线系统的关键部分。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。
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2.4 GHz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2.4 GHz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10 m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
2.1 nRF24E1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2.4 GHz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,2.4 GHz无线收发器,100 ksps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(6 mm×6 mm)封装，最大传输速率可达1 Mb/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℃。
2.2 nRF24E1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8 MHz；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。
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主机是无线系统的关键部分。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。
