介绍了最新的51兼容射频SoC(片上系统)nRF9E5的系统框架、组成、工作方式和配置方法。分析了无线数据传输系统的结构和利用nRF9E5设计无线数据系统的通信协议；给出了系统的硬件原理图和程序流程图。总结nRF9E5在无线数据传输系统设计中的优势。
介绍
NRF9E5是Nordic VLSI于2004年2月5日推出的系统级射频芯片。它内置nRF905 433/868/915MHz收发器、8051兼容微控制器和4输入10位80ksps A/D转换器，是一个真正的片上系统，如图1所示。内置的nRF905收发器和nRF905芯片的收发器一样，可以工作在ShockBurst(自动前缀、地址和CRC处理)模式。内置电压调节模块，可最大限度降低噪音，为系统提供1.9~3.6V工作电压，QFN5 & TImes5毫米封装，载体检测。NRF9E5符合美国通信委员会和欧洲电信标准协会的相关标准。NRF905功耗低、运行可靠，非常适合无线数据传输系统的设计。图11 nrf9e 5功能介绍
1.1 nRF9E5硬件
(1)微控制器
nRF9E5的片内微控制器兼容标准8051，指令时序与标准8051略有不同。典型的区别是nRF9E5的片内微控制器的指令周期是4到20个指令周期。中断控制器支持五种扩展中断源:ADC中断、SPI中断、RADIO1中断、RADIO2中断和唤醒定时器中断。片内控制器还有三个与8052相同的定时器。1与8051相同的串行端口、定时器1和定时器2可用作异步通信的波特率发生器。此外，扩展了两个数据指针，以便于从XRAM区域读取数据。微处理器中有256B数据RAM和512B ROM。上电复位或软件复位后，处理器自动执行ROM引导区中的代码。用户程序通常在引导区的引导下从EEROM加载到一个4KB RAM中，这个4KB RAM也可以用来存储数据。NRF9E5的大部分寄存器与标准8051的相同，只是增加了一些特殊功能寄存器，如RADIO(P2)、ADCCON、adcatah、ADCDATAL、adcstat、PWMCON、PWMDUTY、RCAP2L、RCAP2H、CKLFCON等。nRF9E5中P0、P1、P2的寄存器地址与标准8051中的相同，都是0x80、0x90、0xA0，但功能与标准8051中的不同。(2)CKLF时钟、RTC唤醒定时器、GPIO唤醒和WTD
nRF9E5中有一个低频时钟CKLF，一直开着。晶振开始工作时，CKLF频率为4hz；晶振不工作时，CKLF是低功耗RC晶振，只要VDD & ge；1.8V，连续工作。RTC唤醒定时器、WTD(看门狗)和GPIO唤醒都工作在CKLF频率，保证芯片工作在功耗时这三个功能能够完成。RTC唤醒定时器是一个24位可编程递减计数器，而WTD是一个16位可编程递减计数器。RTC唤醒定时器和WTD的周期一般为300μsS ~ 80 ms，默认为1 ms，RTC唤醒定时器也可以作为GPIO的输出源，即当RTC唤醒定时器的初始化时间溢出时，可以产生一个程序脉冲用于GPIO输出。
(3)SPI接口和模数转换器
SPI(串行外设接口)的接口引脚包括MISO(从EEPROM的SDO接收数据)、SCK(向EEPROM的SCK提供时钟信号)、MOSI(向EEPROM的SDI发送数据)和EECSN(向EEPROM的CSN发送使能信号)。SPI端口的MISO、SCK和MOSI与P1端口的低3位一起重用，功能之间的替换由寄存器SPI_CTRL控制。SPI硬件不产生任何片选信号，可以使用GPIO端口进行片选。通常，当系统上电时，SPI会自动连接到片外25320。程序加载后，MISO(P1.2)和MOSI(P1.0)可用于其他目的，如其他SPI器件或GPIO。
nRF9E5的芯片上有10位ADC，可以通过软件在AREF和1.22V(内部基准电压)之间设置A/D转换基准电压。A/D转换器的四路输入可以通过软件选择。通道0 ~ 3可以分别将相应引脚AIN0~AIN3上的电压值转换成数字值。通道4用于监控nRF9E5的工作电压。A/D转换器默认工作在10位模式，通过软件可以使其工作在6位、8位或12位模式。图3 (4)射频收发器
NR9E5收发器通过内部并口或内部SPI口与其他模块通信，功能与单芯片射频收发器nRF905相同。收发器通过片内MCU的并口或SPI口与微控制器通信，数据就绪，载波检测和地址匹配信号可作为微控制器和中断。
NRF905工作在ISM频段433/868/915mhz。收发器由一个成品频率合成器、一个功率放大器、一个调节器和两个接收器组成。输出功率、通道和其它RF参数可以通过对特殊功能寄存器RADIO(0xA0)进行编程来控制。发射模式下的射频功耗为11mA，接收模式下为12.5mA。为了节约能源，收发器的开/关可以由程序控制。
1.2 nRF9E5收发器模式
与nRF401和nRF903不同，nRF9E5使用SPI接口进行MCU和无线模块之间的数据传输。这部分是在nRF9E5芯片中的8051内核和nRF905射频收发器之间完成的。在NR9E5芯片中的8051内核和nRF905射频收发器之间完成。在nRF905芯片中的8051内核和nRF905射频收发器之间完成。nRF9E5的收发器有三种工作模式:ShockBurst接收(RX)模式、ShockBurst发送(TX)模式和空空闲模式。当收发器处于空空闲模式时，微控制器仍在运行。
NRF9E5利用北欧VLSI公司ShockBurst的特性进行高速数据传输。与射频数据相关的协议由nRF9E5芯片中的nRF9E5收发器自动处理。NR9E5只能通过简单的SPI接口与nRF9E5进行数据传输，数据传输的速度取决于SPI接口的速度，可以在nRF9E5芯片的8051内核中进行配置。ShockBurst实现了低速数据输入和高速数据输出，从而降低了系统的平均能耗。在ShockBurst接收模式下，当接收到具有有效地址的RF数据包时，地址匹配寄存器位(AM)和数据就绪寄存器位(DR)通知片内MCU读出数据。在ShockBurst传输模式下，nRF9E5会自动为要传输的数据添加前缀和CRC校验。发送数据时，数据就绪寄存器位(DR)将通知MCU数据已经处理完毕。
当系统没有传输和任务时，进入空空闲模式，nRF9E5在空空闲模式下有任务要处理时，可以在短时间内进入ShockBurst接收模式和ShockBurst发送模式。空在空闲模式下，晶振仍然工作，配置字中的内容不会丢失。
1.3载波检测
在ShockBurst接收模式下，当nRF9E5工作通道的射频载波出现时，载波检测引脚(CD)置高，可以很好的避免相同工作频率下不同发射机数据包之间的碰撞。当收发器准备好发送数据时，它首先进入接收模式，并检测工作信道是否空空闲。载波检测的标准一般比灵敏度低5dB，比如灵敏度为-100dBm，载波检测功能检测载波低至-105dBm。也就是说，如果载波低于-105dBm，载波检测信号为低(一般为0)高于-95dBm，载波检测信号为高(一般为VDD)，在-105到95dBm之间，载波检测信号可能为低也可能为高。
2无线数据传输系统
2.1系统组成
有三种无线数据传输系统:点对点、点对多点和多点对多点。由于实际应用的需要，该系统由一台PC机、一台主接收机和若干数据终端组成。主接收机和数据终端之前的数据传输通过nRF9E5进行，构成一个点对多点的无线数据传输系统。在整个系统中，PC机与数据终端之间的无线通信采用433MHz作为载波频率。为了避免同频干扰问题，系统采用TDMA(时分多址)通信技术。主接收器通过逐一扫描检测各数据终端是否收发通信请求或其他任务；终端使用中断方式处理主接收器发送的地址信息，如果与本地地址匹配则执行命令。这样，上位机与数据终端之间的通信就转化为主接收机与数据终端之间的通信，以及PC机与主接收机之间通过串口(USB或UART)的通信。整个无线数据传输系统的结构如图2所示。
2.2通信协议
通信协议是双方为实现信息交换而制定的规则。该系统采用时分多址通信技术，将点对多点的通信转化为点对点的通信，因此在信源和信宿建立通信连接时必然会涉及到地址匹配问题。因为主接收器和数据终端之间的通信可能受到其他数据终端或外部环境的干扰，所以可能发生错误。因此，需要通信协议来保证数据传输的可靠性。
nRF9E5只有一种协议格式，其中前缀是数据。设备地址包括本地计算机的地址和主接收器的地址。CRC校验可以用8位或16位进行。
无线数据传输系统的实现
3.1系统硬件
图3是无线数据传输系统中主接收机的硬件示意图。终端的硬件原理与图3类似，只是没有与PC连接的串口，GPIO口与A/D转换slogan对应的数据输入端连接，如温度传感器、中断信号等。ANT1和ANT2是天线连接引脚，可以使用PCB环形差分天线。晶体振荡器的工作频率为16MHz。2Aa320是EEPROM。nRF9E5上电后，系统根据引导程序将25AA320中和程序代码复制到nRF9E5的4KB RAM中。LM1117是电源管理模块，它将5V电平转换为nRF9E5可用的3.3V。MAX3232CSE是一款用于nRF9E5串口与PC串口通信的电平转换芯片。从图3可以看出，用nRF9E5设计无线数据传输系统非常方便。NR9E5的外形尺寸很小，在外形尺寸要求非常严格的情况下更多使用NR9E5。
3.2系统软件
无线数据传输主要由无线数据终端、主接收机和PC机组成，PC机通过串口与主接收机通信。整个系统的所有部分都服务于无线数据传输的目的。因此，在整个系统的软件设计中，无线数据传输是最重要的部分。如图4和图5所示，是无线数据传输的收发流程。软件应根据通信协议进行设计，并考虑数据的纠错。错误检测可以采用CRC校验8位或16位模式。在图4和图5中，TRX_CE发送和接收使能寄存器位，DR是数据准备寄存器位，AM是地址匹配寄存器位，AUTO_RETRAN是自动重传寄存器位。
结论4
利用nRF9E5片上射频无线系统，很容易实现体积小、稳定性高的无线数据传输系统，并可根据使用需要选择433/868/915MHz三个工作频段。nRF9E5芯片上的UART便于与PC进行串行通信，芯片上的A/D转换器便于数据采集。借助nRF9E5的ShockBurst技术和电源监控技术，无线数据传输系统的功耗更低，在设计中编写更少的程序代码来省电。
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