內(nèi)嵌8051無線SoC芯片應用方案的選擇和比較

隨著網(wǎng)絡及其通信技術的飛速發(fā)展，短距離無線通信以其抗干擾能力強、可靠性高、安全性好、受地理條件限制較少、安裝施工簡便靈活等特點，在許多領域都得到了廣泛的應用。無線SoC芯片（也稱無線單片機）將微控制器、存儲器、A/D轉換器、需要的接口電路和無線收發(fā)芯片全部集成到一個非常小的芯片上，并具有通用頻帶、收發(fā)合一、低發(fā)射功率、高靈敏接收等優(yōu)點，因而在當前短距離無線通信系統(tǒng)中的應用潛力十分巨大。而采用內(nèi)嵌8051的無線SoC芯片，一方面能繼續(xù)使用8051微控制器已經(jīng)發(fā)展成熟的各種應用軟件資源。另一方面， 目前市面上流行的8051開發(fā)工具（如Keil C51）都可以用于這種芯片的軟件開發(fā)。在已經(jīng)推出的幾種以8051微控制器為內(nèi)核的無線SoC芯片中。最具有代表性的是chipcon公司的CC1010、Nordic公司的nRF9E5和nRF24E1。本文將對這三款無線SoC芯片作以對比描述，同時分析一下它們各自的結構原理、特性及典型應用電路

1 CC1010無線SoC芯片

CC1010是Chipcon公司推出的單片、多頻段、低功耗的系統(tǒng)級無線射頻收發(fā)芯片。該芯片基于Chipcon公司的0.35 um CMOS工藝生產(chǎn)，具有很高的集成度 該芯片內(nèi)嵌8051微控制器，并包含32 KB Flash、2048+128字節(jié)SRAM、3通道10位ADC以及加密/解密用的DES模塊。發(fā)射器采用直接變頻發(fā)射，接收器采用低-中變頻接收。CC1010通過8位控制寄存器RFMAIN來實現(xiàn)無線收發(fā)控制，不同工作頻率（315-915 MHz）的應用電路可通過調(diào)節(jié)元器件C31～C181、L32～L101和R131等參數(shù)值來實現(xiàn) 外接晶體必須連接到芯片的XOSC端，同時VCO也需要外接一個外部電感。CC1010的典型應用電路如圖1所示。

圖1 CC1010的典型應用電路

2 nRF9E5無線SoC芯片

nRF9E5是Nordic公司推出的系統(tǒng)級無線射頻收發(fā)芯片，主要工作在433/868/915 MHz的ISM頻段。該芯片內(nèi)嵌高性能8051 MCU和4通道10位ADC，可工作在ShockBurst模式（自動處理前綴、地址和CRC），能進一步降低電流消耗和系統(tǒng)成本。nRF9E5通過SPI接口（MISO、MOSI和SCK）從片外存儲器（如“25320一族”）實現(xiàn)程序裝載，SPI口的MISO、SCK和MOSI與P1口的低3位復用。芯片可通過寄存器SPI-CTRL來控制功能間的轉換。由于SPI硬件不產(chǎn)生任何片選信號，故可以用GPIO口來進行片選。通常，系統(tǒng)上電時，SPI自動和片外25320相連。當程序加載完成后，MISO （P1.2）、MOSI（P1.0）可以用作其它用途，比如GPIO或其他的SPI器件。nRF9E5的4輸入ADC可通過軟件進行選擇。通道0～3可以把對應引腳AIN0～AIN3上的電壓值分別轉換成數(shù)字值，通道4則用于對nRF9E5工作電壓的監(jiān)控。A/D轉換器默認工作于10位方式，也可以通過軟件設置為6位、8位或12位方式。收發(fā)器通過片內(nèi)MCU的并行口或SPI口與微控制器進行通信。芯片中的數(shù)據(jù)準備好、載波檢測和地址匹配信號也可作為微控制器的中斷信號。器件的輸出功率、頻道和其它射頻參數(shù)可通過對特殊功能寄存器RADI0（0xA0）的編程來控制，為了節(jié)能，也可通過程序來控制收發(fā)器的開/關。nRF9E5的典型應用電路如圖2所示。

3 nRF24E1無線SoC芯片

nRF24E1是一種工作頻率可達2.4 GHz的無線射頻收發(fā)芯片，內(nèi)部嵌有與8051兼容的微控制器和9通道10位ADC，可在1.9～3.6 V電壓下穩(wěn)定工作，而不需要外接SAW濾波器。nRF24E1內(nèi)部具有電壓調(diào)整器和VDD電壓監(jiān)視。

nRF24E1是業(yè)界首次推出的全球2.4 GHz通用完整型低成本射頻系統(tǒng)級芯片，其無線收發(fā)部分有與nRF2401相同的功能。該功能可由外部并行口和外部SPI來啟動，每一個待發(fā)信號對于處理器來說，都可以作為中斷來編程，或者通過GPIO端口來實現(xiàn)。在nRF24E1的內(nèi)部存儲空間中，512 B ROM用于存儲引導程序。上電后，該ROM可以將EEPROM中存儲的程序下載到4KB RAM的程序運行空間，另外的256 B RAM作為數(shù)據(jù)存儲器，無線收發(fā)器nRF24E1可以通過軟件編程來設定接收地址、收發(fā)頻率、發(fā)射功率、無線傳輸速率、無線收發(fā)模式以及CRC校驗和長度以及有效數(shù)據(jù)長度等無線通信參數(shù)。在掉電模式，晶振停止工作時的電流消耗典型值為2 uA。nRF24E1的典型應用電路如圖3所示。

4 三款無線SoC芯片的性能比較

以上三款無線SoC芯片的性能對比如表1所列。

5 結束語

由以上的比較可看出，Chipcon公司的CC1010可實現(xiàn)300～915 MHz頻率范圍內(nèi)的無線通信，最小的功率消耗僅為0.2 yA，并具有32 KB的Flash，在一些需要大容量存儲應用的場合，CC1010的優(yōu)點比較明顯。但CC1010數(shù)據(jù)傳輸需要進行曼徹斯特編碼，且在編程上需要有一定的技巧和經(jīng)驗，而且曼徹斯特編碼會大大降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?，一般僅能達到標準速率的1/3。

Nordic的nRF9E5可工作在433/868/930 MHz頻段，nRF24E1則可工作在2.4 GHz頻段，雖然Nordic公司的無線SoC芯片存儲空間較?。ㄖ挥? KB），但由于其采用了較好的電源管理方式和快速的ShockBurst技術，且價格較CC1010具有一定優(yōu)勢，因此，相對于Nordic的nRF9E5和nRF24E1來說，前者具有較好的覆蓋范圍，后者則擁有較高的傳輸速率。這就需要在具體應用時做出權衡。

內(nèi)嵌8051無線SoC芯片的出現(xiàn)為開發(fā)低成本和低功耗的無線通信系統(tǒng)提供了新的選擇，同時使無線通信系統(tǒng)的設計工作更加簡化，也更容易開發(fā)。在對它們進行具體設計時，可采用可編程組態(tài)寄存器，具體可編程的關鍵參數(shù)包括接收和發(fā)射模式、RF輸出功率電平、頻率合成關鍵參數(shù)（包括RF輸出頻率、FSK調(diào)制頻率分離偏差和晶振基準頻率等）、低功耗模式、基準振蕩器在低功耗模式中啟動或關閉、數(shù)據(jù)速率和數(shù)據(jù)形式選擇等。