近距離無線通信正逐漸引起越來越廣泛的注意。飛利浦公司最近聯合諾基亞和索尼成立了近距離無線通信論壇，以實現各種移動設備、消費電子、智能檢測等設備的交互式通信。低功耗、微型化是當前無線通信產品尤其是便攜產品的迫切要求和關鍵問題。無線通信的另一個關鍵問題是數據傳輸的可靠性，這取決于諸多因素，如頻率選擇、同頻干擾、傳輸距離、天線選擇等，這些在設計無線通信系統時都要認真考慮和比較。

　　本文描述了一種基于nRF24E1 收發芯片的2.4GHz無線收發系統，采用存儲轉發的數據傳輸格式和固定式跳頻的抗干擾模式，數據輸出速率達1Mbps，輸出功率1mW, 視距傳輸距離超過100米，可應用在工業傳感網絡、遠距離遙控、停車場智能管理等領域。

　　2 系統方案設計

　　本系統采用通用的2.4GHz ISM頻段，輸出功率為1mW且帶外輻射較小，無需申請頻率許可證。此外，選擇2. 4GHz頻段的另外一個優點是波長較短，天線的尺寸較小，可以縮小系統的體積，甚至可以將天線設計在PCB板上實現天線內置，這樣可以同時降低系統的成本。

　　RF收/發器芯片選擇Nordic公司的nRF24E1，其最大的特點就是可以滿足低功耗和小型化的要求。該芯片體積小、外圍器件少、易于設計和調試；內嵌兼容8051的微處理器，指令周期從標準的12～48個時鐘周期縮短到4～20個時鐘周期，XRAM數據存取采用雙指針，提高了CPU 的處理和運算速度。采用16MHz的晶體可同時為CPU和收發單元內部頻率合成器提供參考時鐘，節省了印制板的空間，縮小了系統的體積。該芯片提供POWER DOWN模式。此工作模式下CPU處理中止、時鐘和電源整流電路關閉，RF收/發單元停止工作，整個芯片內部只有RC振蕩器、看門狗和RTC定時器工作，系統電流損耗只有2uA，只有外部中斷和看門狗復位才能使系統退出省電模式。合理設計通信協議，該系統適于電池長時間供電的無線通信系統。

　　3 系統的軟件設計

　　系統的軟件開發基于Keil 51 uVision2開發平臺，所用程序都是用標準C語言及開發工具支持的擴展C語言編寫的。代碼編譯及仿真通過后利用芯片第三方開發商開發的雙USB下載電纜將程序下載到外部的4KB EEPROM中。系統啟動時將自動從外部導入程序到內部RAM中并開始運行。采用SPI總線可以完成對RF收發相關寄存器的設置和操作，通過144比特的特殊功能寄存器可以設置系統工作模式和地址碼。

　　系統的RF收發工作于ShockBurst 無線發送模式。本模式下CPU內部開辟FIFO緩存區，將要發送數據送入該區并組幀以1Mbps的高數據速率輸出，這樣做縮短了發射機的發射時間，減少了發射機的切換次數，降低了發射電流損耗，減少了系統的總耗電。

　　工作在 ShockBurst模式下，幀過長會增加出錯重發的時間，采用的最大幀長不宜超過256bits，幀頭插入相應的地址等信息，幀尾采用16bitsCRC校驗，數據長度最多可達200bits，實際應用中綜合考慮幀出錯概率和發送機發射時間，采用每幀8字節的數據格式。測試證明該系統在誤碼率很低的情況下可減少發射占空比從而大大降低系統功耗。

　　基于2.4GHz 頻段的通信設備越來越多，該系統與同頻且大功率的通信系統處于同一環境時必受干擾，影響通信效果甚至不能正常通信。為解決此問題，我們引入跳頻機制，采用頻點躲避方式降低同頻干擾的影響，不同于普通跳頻方式的是該系統頻率跳變不是由偽隨機碼控制的，而是采用固定跳變規律方式。通過芯片內頻率合成器可產生128個頻率間隔為1MHz的收發頻道，頻率范圍為2400～2527MHz，其可發射的頻率點為：ChannelR f = 2400 MHz +RF_CH * 1.0MHz。在此基礎上設計的簡單跳頻模式，當發送機發射廣播信號卻收不到接收機返回的應答信號時，發射機可斷定某信道被占用或被其他設備干擾，此時發射機將改變其發射頻率，跳變至另一個頻點。這些頻點預先寫入EEPROM中，排列順序隨機抽取，各相鄰頻點的間隔不宜太小以防止其旁瓣譜的干擾。系統通信頻率的改變必須是雙方同步進行的，接收機在某段時間內收不到發射機的廣播信號而超時操作時，將采取頻率掃描的方式以確定系統的工作頻率，直到雙方建立了良好的同步并可以進行雙工通信為止。

　　實際運用中，一點對多點的無線通信網絡變得越來越普遍。本系統采用了基于輪詢機制的點對多點的通信協議，每個收發系統都具有碼長為5字節的唯一地址碼，理論上可輪詢的節點數很多，可設地址數目可達N = 240。實測表明：節點為16個時系統很穩定。此地址碼在收/發操作時通過軟件設置，其結構如下所示：

　　const RFConfig tconf =

　　{15,0x08,0x08,0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x00,

　　0x00, 0x00, 0x00, 0x00, 0x01, //接收機地址位：40bits（5bytes）

　　0x83, 0x6f, 0x04};

　　4 系統的射頻單元設計

　　nRF24E1收/發芯片的天線輸入/輸出為平衡差分方式，其輸入阻抗為400Ω，設計中可通過設計阻抗匹配電路使輸出匹配５０Ω的微帶天線或ＳＭＡ天線，輸出功率達０ｄＢｍ。天線的輸出引腳需提供直流偏置，通過兩電感將ＤＣ加到偶極子天線的中心點來實現。

　　值得注意的是，在設計PCB時，所有銅箔走線都要采用微帶傳輸線的設計原理，以減少反射引起的傳輸損耗，獲的比較大的輸出功率和較高的接收靈敏度。射頻電路中ＰＣＢ板的走線設計關系到整體的性能，本系統的ＰＣＢ采用厚１．６ｍｍ的ＦＲ－４板，２．４ＧＨｚ時電介質常數εｒ＝４．６～４．９，銅箔線的厚度為ｄ＞５０ｕｍ，匹配阻抗為５０Ω時，通過微帶線的計算公式

　　Ｚ0=2）

　　（D：銅箔線厚度W：微帶線寬度εr：介電常數ｈ：微帶線與地距離。）

　　可算出銅箔線寬度。實際微波設計中采用軟件仿真的方法來計算線寬，我們就是采用Ａｎｓｏｆｔ軟件來設計射頻電路的。

　　天線的設計可采用50Ω的SMA天線。考慮到尺寸和成本因素且射頻波長短，可選用５０Ω的1/4波長偶極子微帶印制板天線，改變銅箔線長度即可調節天線性能。為使其在2.4GHz更容易諧振，需將導線長度加長4～6mm。印制板上微帶天線的形狀就是一銅箔線長約為24mm的導線。也可采用天線制造商設計的微帶天線，如GigaAnt公司的6dBi微帶天線，體積小、成本不高但降低了設計難度，同時提高了系統的性能。

　　5 結束語

　　經謹慎設計、實現與調試，該2.4GHz無線收/發系統在視距傳輸時其穩定傳輸距離超過70米，并可實現點對多點無線組網；待機電流僅為20uA，使用鋰铔電池可工作幾年,適于電池供電的近距離無線傳輸系統，在環境監測、傳感網絡、RFID等領域可得到推廣及應用。