2.4GHz RF模块（基于nRF24LE1）的设计与应用指南

在无线通信领域，2.4GHz频段的射频（RF）模块凭借其广泛的应用和良好的性能，成为了众多电子工程师的首选。今天，我们就来深入探讨一下RF.Digital公司基于Nordic Semiconductor nRF24LE1-F16Q24的一系列2.4GHz RF模块，包括RFD21731、RFD21732等型号。

文件下载：RFD21731.pdf

一、模块概述

这些模块集成了Nordic Semiconductor的nRF24LE1-F16Q24单芯片微控制器和2.4GHz无线电收发器IC，将所有数字信号路由到模块的外部触点，而RF信号则在模块内部处理，以实现最佳的RF性能，用户无需具备专业的RF知识和进行复杂的RF布局。

二、模块特点

2.1 高度集成

• 完整的无线电收发器：单个封装内包含Nordic Semiconductor nRF24LE1-F16Q24微控制器和2.4GHz无线电。
• 多种天线选择：部分型号配备芯片天线（如RFD21731、RFD21732、RFD21733），部分型号支持外部天线（如RFD21734、RFD21735）。
• 其他集成功能：包括匹配网络、电压调节、RF屏蔽（符合FCC、IC和CE标准），部分型号还包含用于实时时钟的32KHz晶体（如RFD21732、RFD21734）。

2.2 易用性

• 无需RF知识和布局：用户无需具备专业的RF知识，也无需进行复杂的RF布局，模块内部已处理好RF信号。
• 单一电源供电：仅需1.9V至3.3V的单一电源。
• 小尺寸封装：尺寸为15 x 15 x 3mm，采用19引脚SMT封装，间距为0.050英寸（1.27mm），易于布局。
• 磁带和卷轴包装：方便批量生产。

2.3 性能优越

• 典型通信范围：户外可达300英尺，室内可达75英尺。
• 抗干扰能力：RFDP8固件采用RF Digital的专有、专利待批的抗干扰算法，可在WiFi环境中正常工作而不降低性能。
• 网络模式：UART和逻辑输出接收器可配置为仅接受来自关联发射器的数据，最多可学习60个唯一的电子序列号（ESN）。

2.4 多种工作模式

• 工厂预编程固件：提供9600波特UART、3个逻辑输入、3个逻辑输出、有源RFID等模式。
• 模式选择：通过P0.0、P0.1和P0.2输入选择不同的工作模式。

三、模块引脚配置与描述

信号	引脚	描述
VDD	13	数字电源电压
GND	9, 10, 12, 18, 19	接地 - 将所有接地信号连接在一起
P0.6	7	通用I/O引脚
P0.5	6	通用I/O引脚
P0.4	5	通用I/O引脚
P0.3	4	通用I/O引脚
P0.2	3	通用I/O引脚
P0.1	17	通用I/O引脚
P0.0	16	通用I/O引脚
PROG	15	连接外部10KΩ下拉电阻
/RESET	14	复位信号，低电平有效。连接外部10KΩ上拉电阻
EXT_ANT	11	某些硬件型号上用于连接外部天线，否则为不连接
N/C	1, 2, 8	不连接

四、订购信息

不同型号的模块具有不同的特点和待批准的认证，用户可根据需求选择合适的型号。例如，RFD21731和RFD21732适用于CE、ETSI认证，而RFD21733则适用于CE、ETSI、FCC和IC认证。同时，RFD21734和RFD21735需要使用引脚11（EXT_ANT）连接外部天线。

五、RFDP8固件

5.1 功能与使用

RF Digital为RFD21733和RFD21735模块提供了RFDP8固件，该固件满足许多常见的用户需求。固件和唯一标识符在工厂预先编程和测试，模块交付后即可立即使用。通过P0.0、P0.1和P0.2输入选择不同的工作模式，具体模式如下：	P0.2	P0.1	P0.0	模式
0	0	0	有源RFID发射器
0	0	1	开关输入逻辑发射器
0	1	x	9600波特UART
1	x	x	开关输出逻辑接收器

5.2 抗干扰算法

RFDP8固件采用RF Digital的专有、专利待批的抗干扰算法，可在WiFi环境中正常工作而不降低性能，同时在高RF噪声环境中提供可靠的通信链路。

5.3 电子序列号（ESN）

每个RF Digital模块都有一个32位的唯一标识符，即电子序列号（ESN），该值在工厂分配，用户无法更改。ESN包含在每个传输的数据包中，作为协议开销的一部分，对用户透明。用户可以通过特定的方法读取ESN，具体方法在UART部分有详细说明。

六、工作模式详解

6.1 模式0 - 有源RFID发射器

当三个输入（P0.4、P0.5、P0.6）均为低电平时，模块每2秒发送一个包含其ESN的数据包。如果任何一个输入变为高电平，模块将每15ms发送所有三个输入的状态，直到所有三个输入都变为低电平。模块在传输时处于活动状态15ms，其余时间处于超低功耗模式，平均功耗以微安为单位，CR2032电池可提供约60天的连续使用。

6.2 模式1 - 输入逻辑发射器

当三个开关输入（P0.4、P0.5、P0.6）均为低电平时，模块不传输，处于超低功耗状态。当任何一个开关输入变为高电平时，模块发送所有三个输入的状态，并在至少一个输入保持高电平时，每15ms继续发送状态。

6.3 模式2和3 - 9600波特UART

提供9600波特的半双工UART，适用于连接微控制器或电平转换器（如MAX202）到RS-232端口。RF传输优先于RF接收，如果在TX_in上有全速串行数据流，模块将不会接收空中的任何数据。UART配置为9600波特、8个数据位、1个停止位和无校验位，也可以使用7个数据位和奇偶校验。

6.4 模式4 - 7 - 带逻辑输出的接收器

模块始终处于接收模式，接收器驱动其输出以匹配从发射器接收到的数据包中的值。通过P0.1输入可以设置不同的“挂起时间”，即输出在没有新数据时保持当前状态的时间。500ms的挂起时间适用于如无钥匙进入系统或车库门开启器等应用，而20ms的挂起时间适用于需要更快切换到“全关”状态的应用。

七、通信与数据格式

7.1 逻辑发射器到UART

逻辑发射器（无论是否为RFID）将其输入状态作为单字节数据发送，后跟其ESN作为四个字节。UART可以接收此数据包并将其作为二进制流输出到PC串行端口或嵌入式微控制器。

7.2 UART到逻辑接收器

UART也可以向逻辑接收器发送数据，逻辑接收器将解码数据并驱动其输出，就像它从逻辑发射器接收到数据包一样。数据格式与逻辑发射器到UART的格式类似，但在网络模式下有一些差异。

八、评估板与开发工具

8.1 评估板

RF Digital提供多种评估板，用于快速应用开发，包括RFD21736、RFD21737、RFD21738和RFD21739等型号。这些评估板具有不同的天线选项和RFDP8固件，可满足不同的测试需求。

8.2 Nordic nRFGo开发套件

Nordic提供nRFGo Starter Kit，RFD21736与该套件兼容，可用于评估RFD21731和RFD21732模块。

8.3 独立电池供电评估板

RF Digital开发了一款电池供电的评估板，可用于无焊面包板或作为独立平台。该评估板具有多种功能，如12引脚0.100” SIP头、CR2032电池和支架、3位置DIP开关、电源开关、3个按钮、3个LED、串行UART模式、RFID模式、LEARN按钮、状态LED等，并且有不同的天线选项。

九、电气特性与机械细节

9.1 电气特性

• 工作条件：电源电压范围为1.9V至3.6V，典型值为3.0V；工作温度范围为-40°C至+85°C。
• 功耗：不同工作模式下的功耗不同，如逻辑发射器或有源RFID发射器在超低功耗模式下典型功耗为1.8uA，在传输时典型功耗为12.25mA；逻辑接收器在监听 - 接收时典型功耗为17mA；UART在监听 - 接收时典型功耗为17mA，在传输时典型功耗为14mA。

9.2 机械细节

模块的PCB布局有推荐的电源和GND连接方式，以及所有数字信号的推荐布线。同时，文档还提供了模块的整体尺寸图，包括顶视图和侧视图。

十、重要注意事项

RF Digital保留对产品及其规格进行更正、修改和/或改进的权利，且不对用户的产品和/或应用承担责任。该公司的产品不授权用于安全关键应用，如生命支持应用，仅承担更换或退还原始购买价格的责任。

在实际设计中，电子工程师需要根据具体的应用需求选择合适的模块型号和工作模式，同时注意模块的电气特性和机械细节，以确保设计的可靠性和稳定性。你在使用这些模块的过程中遇到过哪些问题呢？欢迎在评论区分享你的经验和见解。