隨著科技的進步，越來越多的無線技術(shù)正快速應用到各種產(chǎn)品中。nRF24E1是挪威Nordic公司推出的一款單片2.4GHz無線收發(fā)芯片，采用0.18 m CMOS技術(shù)制造，以增強型51為內(nèi)核，9路10bitADC，采樣率可達100K，具有125個頻道，傳輸速率可達1Mbps，內(nèi)置CRC校驗并支持多點通信。1.9~3.6V低功耗工作，內(nèi)置電壓監(jiān)視和復位電路，多種省電模式可供選擇，待機電流僅為2 A。nRF24E1可廣泛應用于無線水表、煤氣、電表；無線智能傳感器；無線數(shù)據(jù)采集裝置；無線身份識別智能卡；無線火警探頭；無線耳機、麥克風；無線鼠標、無線鍵盤；PDA手持終端等短距離無線通信場所。

　　nRF24E1收發(fā)器是Nordic VLSI推出的系統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(nèi)部有電壓調(diào)整器（工作電壓1.9～3.6V，推薦工作電壓為3.3V）和VDD電壓監(jiān)視，通道開關(guān)時間小于200μs，數(shù)據(jù)速率1Mbps，射頻輸出分貝數(shù)0dB，不需要外接SAW（聲表）濾波器。

　　1 nRF24E1簡介

　　1.1 微處理器

　　微處理器用一片或少數(shù)幾片大規(guī)模集成電路組成的中央處理器。這些電路執(zhí)行控制部件和算術(shù)邏輯部件的功能。微處理器與傳統(tǒng)的中央處理器相比，具有體積小，重量輕和容易模塊化等優(yōu)點。微處理器的基本組成部分有：寄存器堆、運算器、時序控制電路，以及數(shù)據(jù)和地址總線。微處理器能完成取指令、執(zhí)行指令，以及與外界存儲器和邏輯部件交換信息等操作，是微型計算機的運算控制部分。它可與存儲器和外圍電路芯片組成微型計算機。

　　nRF24E1微處理器的指令系統(tǒng)與工業(yè)標準8051的指令系統(tǒng)兼容，但二者的指令執(zhí)行時間稍有不同。通常，nRF24E1的每條指令執(zhí)行時間為4～20個時鐘周期，而工業(yè)標準8051的每條指令執(zhí)行時間為12～48個時鐘周期。nRF24E1比工業(yè)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(nèi)含有1個與8051相同的UART，在傳統(tǒng)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(fā)生器。nRF24E1功能模塊圖如圖1所示。

　　微處理器中有256B的數(shù)據(jù)RAM和512B的ROM。上電復位或軟件復位后，處理器自動執(zhí)行ROM中引導區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導區(qū)的引導下，從E2PROM加載到1個4KB的RAM中（該RAM也可作存儲數(shù)據(jù)用）。如果應用中不用掩膜ROM（即內(nèi)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。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。脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單，靈活和動態(tài)響應好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)廣泛應用的控制方式，也是人們研究的熱點。由于當今科學技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)沒有了學科之間的界限，結(jié)合現(xiàn)代控制理論思想或?qū)崿F(xiàn)無諧振軟開關(guān)技術(shù)將會成為PWM控制技術(shù)發(fā)展的主要方向之一。

　　SPI的3個口與GPIO（DIN0、DIO0、DIO1）和RF收發(fā)器重用。SPI硬件不產(chǎn)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。3種SPI的處理流程大同小異，以目前使用多的SPI-4為例來說明SPI的原理。它在發(fā)送接口和接收接口都有各自的數(shù)據(jù)通道和流控狀態(tài)信息通道，其數(shù)據(jù)通道和流控狀態(tài)信息通道是獨立的并且是點對點通信。數(shù)據(jù)是以包的形式發(fā)送，根據(jù)數(shù)據(jù)包中的內(nèi)嵌地址可支持高達256個端口，以下分別說明基本協(xié)議及數(shù)據(jù)通道和流控狀態(tài)信息的處理過程。

　　1.3 RTC喚醒定時器、WTD和RC振蕩器

　　nRF24E1內(nèi)有一個低功耗的RC振蕩器，當VDD≥1.8V時，可連續(xù)工作，和應用程序無關(guān)。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(zhuǎn)換器

　　nRF24E1內(nèi)有9通道10位ADC，線性轉(zhuǎn)換時間為每10位48個CPU指令周期。A/D轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換為數(shù)字值，通道8用于對nRF24E1工作電壓的監(jiān)控。

　　1.5 無線收發(fā)器

　　nRF24E1收發(fā)器通過內(nèi)部并行口或內(nèi)部SPI口與其他模塊進行通信，其功能與單片射頻收發(fā)器nRF2401相同。DuoCeiver接收器輸出的數(shù)據(jù)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工作于開放的2.4G～2.5GHz頻段。收發(fā)器由1個完整的頻率合成器、1個功率放大器、1個調(diào)節(jié)器和2個接收器組成。

　　2 無線鍵盤的基本知識

　　無線鍵盤是鍵盤盤體與電腦間沒有直接的物理連線，通過紅外線或無線電波將輸入信息傳送給特制的接收器。準確的來說就是藍牙設備。無線鍵盤是鍵盤盤體與電腦間沒有直接的物理連線，通過紅外線或無線電波將輸入信息傳送給特制的接收器。準確的來說就是藍牙設備。（如無線鼠標、耳機等）

　　無線鍵盤大部分都由電池供電，所以需要用到許多節(jié)能技術(shù)?；诠?jié)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(shù)據(jù)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(nèi)，所檢測到的擊鍵不多于1個。

　　對于只需要發(fā)送數(shù)據(jù)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(fā)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(fā)更利于實現(xiàn)密碼編制、數(shù)據(jù)包重發(fā)和當系統(tǒng)關(guān)閉時鍵盤處于節(jié)能狀態(tài)。

　　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，多可定義160個按鍵開關(guān)。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(tài)就被掃描1次。

　　在鍵盤掃描的過程中，按鍵可能會出現(xiàn)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(tǒng)檢測到某按鍵被按下，則延時30～50ms后再去檢測該按鍵。

　　3.2 系統(tǒng)軟件

　　nRF24E1有4KB的片內(nèi)RAM，這對于鍵盤軟件已經(jīng)夠用。系統(tǒng)上電后，E2PROM中的程序自動到該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。

　?。?）讀出行掃描值。

　?。?）檢測按鍵被按下和去抖動。

　?。?）發(fā)送掃描到的被按下按鍵的信息到PC。

　　（5）節(jié)能狀態(tài)循環(huán)。

　　無線鍵盤應該使用節(jié)能技術(shù)以延長電池的壽命。nRF24E1片內(nèi)nRF2401的ShockBurstTM技術(shù)是為用戶節(jié)能設計的，所以設計人員在編寫軟件時可以不考慮節(jié)能問題。但是，設計人員應該考慮在系統(tǒng)空閑時怎樣進一步減小電流。

　　nRF2401的晶振為16MHz時，其片內(nèi)的8051內(nèi)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(nèi)8051設為空閑狀態(tài)，且片內(nèi)8051空閑狀態(tài)的工作電流只有2μA，用此來減小電池消耗。系統(tǒng)在空閑狀態(tài)和工作狀態(tài)時的任務分述如下。

　　空閑狀態(tài)：

　?。?）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(tài)。

　?。?）把8051設為空閑狀態(tài)，同時RTC的喚醒時間設為20ms。

　　（4）空閑狀態(tài)循環(huán)。

　　工作狀態(tài)：

　?。?）每秒鐘掃描鍵盤500次。

　　（2）發(fā)送所有的按鍵信息給PC。

　?。?）如果10秒鐘內(nèi)沒有按鍵被按下，則進入空閑狀態(tài)。

　　（4）工作狀態(tài)循環(huán)。

　　一般來說，按照上述方法考慮電池節(jié)能的問題，可以使電池的壽命提高約40倍。所以，在系統(tǒng)軟件設計時，進行電池節(jié)能的考慮至關(guān)重要。

　　4  結(jié)  論

　　實踐證明，nRF24E1非常適合用來實現(xiàn)無線鍵盤與PC機之間的通信，其優(yōu)點：

　?。?）nRF24E1內(nèi)嵌8051，更易于減小體積。

　?。?）采用了ShockBurstTM技術(shù)，使編程更方便。

　?。?）更易于實現(xiàn)安全的鍵盤信息發(fā)送。

　　（4）2.4GHz的收發(fā)頻段為開放頻段。

　　（5）電池監(jiān)管更方便，并且功耗低。

　?。?）nRF24E1具有的GPIO使得擴展其他功能，如LED指示等更加容易。