几种内嵌8051无线SoC芯片的应用比较与选择

    随着网络及其通信技术的飞速发展，短距离无线通信以其抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制较少、安装施工简便灵活等特点，在许多领域都得到了广泛的应用。无线SoC芯片(也称无线单片机)将微控制器、存储器、A/D转换器、需要的接口电路和无线收发芯片全部集成到一个非常小的芯片上，并具有通用频带、收发合一、低发射功率、高灵敏接收等优点，因而在当前短距离无线通信系统中的应用潜力十分巨大。而采用内嵌8051的无线SoC芯片，一方面能继续使用8051微控制器已经发展成熟的各种应用软件资源。另一方面， 目前市面上流行的8051开发工具(如Keil C51)都可以用于这种芯片的软件开发。在已经推出的几种以8051微控制器为内核的无线SoC芯片中。最具有代表性的是chipcon公司的CC1010、Nordic公司的nRF9E5和nRF24E1。本文将对这三款无线SoC芯片作以对比描述，同时分析一下它们各自的结构原理、特性及典型应用电路

1 CC1010无线SoC芯片
    CC1010是Chipcon公司推出的单片、多频段、低功耗的系统级无线射频收发芯片。该芯片基于Chipcon公司的0.35 um CMOS工艺生产，具有很高的集成度 该芯片内嵌8051微控制器，并包含32 KB Flash、2048+128字节SRAM、3通道10位ADC以及加密/解密用的DES模块。发射器采用直接变频发射，接收器采用低-中变频接收。CC1010通过8位控制寄存器RFMAIN来实现无线收发控制，不同工作频率(315-915 MHz)的应用电路可通过调节元器件C31～C181、L32～L101和R131等参数值来实现 外接晶体必须连接到芯片的XOSC端，同时VCO也需要外接一个外部电感。CC1010的典型应用电路如图1所示。
 
图1 CC1010的典型应用电路

2 nRF9E5无线SoC芯片
    nRF9E5是Nordic公司推出的系统级无线射频收发芯片，主要工作在433/868/915 MHz的ISM频段。该芯片内嵌高性能8051 MCU和4通道10位ADC，可工作在ShockBurst模式(自动处理前缀、地址和CRC)，能进一步降低电流消耗和系统成本。nRF9E5通过SPI接口(MISO、MOSI和SCK)从片外存储器(如“25320一族”)实现程序装载，SPI口的MISO、SCK和MOSI与P1口的低3位复用。芯片可通过寄存器SPI-CTRL来控制功能间的转换。由于SPI硬件不产生任何片选信号，故可以用GPIO口来进行片选。通常，系统上电时，SPI自动和片外25320相连。当程序加载完成后，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输入ADC可通过软件进行选择。通道0～3可以把对应引脚AIN0～AIN3上的电压值分别转换成数字值，通道4则用于对nRF9E5工作电压的监控。A/D转换器默认工作于10位方式，也可以通过软件设置为6位、8位或12位方式。收发器通过片内MCU的并行口或SPI口与微控制器进行通信。芯片中的数据准备好、载波检测和地址匹配信号也可作为微控制器的中断信号。器件的输出功率、频道和其它射频参数可通过对特殊功能寄存器RADI0(0xA0)的编程来控制，为了节能，也可通过程序来控制收发器的开/关。nRF9E5的典型应用电路如图2所示。
 

3 nRF24E1无线SoC芯片
    nRF24E1是一种工作频率可达2.4 GHz的无线射频收发芯片，内部嵌有与8051兼容的微控制器和9通道10位ADC，可在1.9～3.6 V电压下稳定工作，而不需要外接SAW滤波器。nRF24E1内部具有电压调整器和VDD电压监视。
    nRF24E1是业界首次推出的全球2.4 GHz通用完整型低成本射频系统级芯片，其无线收发部分有与nRF2401相同的功能。该功能可由外部并行口和外部SPI来启动，每一个待发信号对于处理器来说，都可以作为中断来编程，或者通过GPIO端口来实现。在nRF24E1的内部存储空间中，512 B ROM用于存储引导程序。上电后，该ROM可以将EEPROM中存储的程序下载到4KB RAM的程序运行空间，另外的256 B RAM作为数据存储器,无线收发器nRF24E1可以通过软件编程来设定接收地址、收发频率、发射功率、无线传输速率、无线收发模式以及CRC校验和长度以及有效数据长度等无线通信参数。在掉电模式，晶振停止工作时的电流消耗典型值为2 uA。nRF24E1的典型应用电路如图3所示。
 

4 三款无线SoC芯片的性能比较
    以上三款无线SoC芯片的性能对比如表1所列。
 

5 结束语
    由以上的比较可看出，Chipcon公司的CC1010可实现300～915 MHz频率范围内的无线通信，最小的功率消耗仅为0.2 yA，并具有32 KB的Flash，在一些需要大容量存储应用的场合，CC1010的优点比较明显。但CC1010数据传输需要进行曼彻斯特编码，且在编程上需要有一定的技巧和经验，而且曼彻斯特编码会大大降低数据传输的效率，一般仅能达到标准速率的1/3。
    Nordic的nRF9E5可工作在433/868/930 MHz频段，nRF24E1则可工作在2.4 GHz频段，虽然Nordic公司的无线SoC芯片存储空间较小(只有4 KB)，但由于其采用了较好的电源管理方式和快速的ShockBurst技术，且价格较CC1010具有一定优势，因此，相对于Nordic的nRF9E5和nRF24E1来说，前者具有较好的覆盖范围，后者则拥有较高的传输速率。这就需要在具体应用时做出权衡。
    内嵌8051无线SoC芯片的出现为开发低成本和低功耗的无线通信系统提供了新的选择，同时使无线通信系统的设计工作更加简化，也更容易开发。在对它们进行具体设计时，可采用可编程组态寄存器，具体可编程的关键参数包括接收和发射模式、RF输出功率电平、频率合成关键参数(包括RF输出频率、FSK调制频率分离偏差和晶振基准频率等)、低功耗模式、基准振荡器在低功耗模式中启动或关闭、数据速率和数据形式选择等。