幾種內嵌8051無線SoC晶元的應用比較與選擇

    隨著網路及其通信技術的飛速發展，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晶元(也稱無線單片機)將微控制器、存儲器、A/D轉換器、需要的介面電路和無線收發晶元全部集成到一個非常小的晶元上，並具有通用頻帶、收發合一、低發射功率、高靈敏接收等優點，因而在當前短距離無線通信系統中的應用潛力十分巨大。而採用內嵌8051的無線SoC晶元，一方面能繼續使用8051微控制器已經發展成熟的各種應用軟體資源。另一方面， 目前市面上流行的8051開發工具(如Keil C51)都可以用於這種晶元的軟體開發。在已經推出的幾種以8051微控制器為內核的無線SoC晶元中。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晶元作以對比描述，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晶元
    CC1010是Chipcon公司推出的單片、多頻段、低功耗的系統級無線射頻收發晶元。該晶元基於Chipcon公司的0.35 um CMOS工藝生產，具有很高的集成度 該晶元內嵌8051微控制器，並包含32 KB Flash、2048+128位元組SRAM、3通道10位ADC以及加密/解密用的DES模塊。發射器採用直接變頻發射，接收器採用低-中變頻接收。CC1010通過8位控制寄存器RFMAIN來實現無線收發控制，不同工作頻率(315-915 MHz)的應用電路可通過調節元器件C31～C181、L32～L101和R131等參數值來實現 外接晶體必須連接到晶元的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晶元
    nRF9E5是Nordic公司推出的系統級無線射頻收發晶元，主要工作在433/868/915 MHz的ISM頻段。該晶元內嵌高性能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成本。nRF9E5通過SPI介面(MISO、MOSI和SCK)從片外存儲器(如“25320一族”)實現程序裝載，SPI口的MISO、SCK和MOSI與P1口的低3位復用。晶元可通過寄存器SPI-CTRL來控制功能間的轉換。由於SPI硬體不產生任何片選信號，故可以用GPIO口來進行片選。通常，系統上電時，SPI自動和片外25320相連。當程序載入完成後，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可通過軟體進行選擇。通道0～3可以把對應引腳AIN0～AIN3上的電壓值分別轉換成數字值，通道4則用於對nRF9E5工作電壓的監控。A/D轉換器默認工作於10位方式，也可以通過軟體設置為6位、8位或12位方式。收發器通過片內MCU的并行口或SPI口與微控制器進行通信。晶元中的數據準備好、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可通過對特殊功能寄存器RADI0(0xA0)的編程來控制，為了節能，也可通過程序來控制收發器的開/關。nRF9E5的典型應用電路如圖2所示。
 

3 nRF24E1無線SoC晶元
    nRF24E1是一種工作頻率可達2.4 GHz的無線射頻收發晶元，內部嵌有與8051兼容的微控制器和9通道10位ADC，可在1.9～3.6 V電壓下穩定工作，而不需要外接SAW濾波器。nRF24E1內部具有電壓調整器和VDD電壓監視。
    nRF24E1是業界首次推出的全球2.4 GHz通用完整型低成本射頻系統級晶元，其無線收發部分有與nRF2401相同的功能。該功能可由外部并行口和外部SPI來啟動，每一個待發信號對於處理器來說，都可以作為中斷來編程，或者通過GPIO埠來實現。在nRF24E1的內部存儲空間中，512 B ROM用於存儲引導程序。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作為數據存儲器,無線收發器nRF24E1可以通過軟體編程來設定接收地址、收發頻率、發射功率、無線傳輸速率、無線收發模式以及CRC校驗和長度以及有效數據長度等無線通信參數。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晶元的性能比較
    以上三款無線SoC晶元的性能對比如表1所列。

5 結束語
    由以上的比較可看出，Chipcon公司的CC1010可實現300～915 MHz頻率範圍內的無線通信，最小的功率消耗僅為0.2 yA，並具有32 KB的Flash，在一些需要大容量存儲應用的場合，CC1010的優點比較明顯。但CC1010數據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驗，而且曼徹斯特編碼會大大降低數據傳輸的效率，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晶元存儲空間較小(只有4 KB)，但由於其採用了較好的電源管理方式和快速的ShockBurst技術，且價格較CC1010具有一定優勢，因此，相對於Nordic的nRF9E5和nRF24E1來說，前者具有較好的覆蓋範圍，後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。
    內嵌8051無線SoC晶元的出現為開發低成本和低功耗的無線通信系統提供了新的選擇，同時使無線通信系統的設計工作更加簡化，也更容易開發。在對它們進行具體設計時，可採用可編程組態寄存器，具體可編程的關鍵參數包括接收和發射模式、RF輸出功率電平、頻率合成關鍵參數(包括RF輸出頻率、FSK調製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、數據速率和數據形式選擇等。