2025 Make Blocks阶段1-2.4GHz无线收发模块设计

内容介绍

任务介绍

设计一款2.4GHz无线收发器模块，包含SPI接口、射频匹配电路和PCB倒F天线或外置天线座。

核心介绍

根据本次要求，本人无选用 Nordic Semiconductor 的 nRF24L01P（即 nRF24L01+）作为核心射频收发芯片。该芯片是 nRF24L01 系列的增强版，专为 2.4GHz ISM 频段无线通信设计，具备低功耗、高集成度、支持多通道通信等特点，非常适合短距离（≤100 米）、中低速率（最高 2Mbps）的无线数据传输场景，完全满足模块对功耗、体积和通信可靠性的需求。在得捷上的链接为nRF24L01P 。

原理图和PCB模块介绍

该模块的原理图如下所示：

从功能分区来看，左上区域为 nRF24L01 无线通信单元，右上为 NSPGD1M 传感器单元，左下为 PIN&LED 接口单元。

U1 是 nRF24L01P，为 2.4GHz 无线收发核心芯片。J2 是同轴接口，用于外接天线。X1 是 16MHz 晶振，为 nRF24L01P 提供时钟。C1、C2 是电源滤波电容，C3 是去耦电容，C4、C5 是射频杂波滤波电容，C6、C7、C8、C9 参与射频阻抗匹配。L1、L2、L3 是匹配电感，R1 是泄放电阻，R2 是参考电流设置电阻。
右上 U2 是 NSPGD1M 传感器，R8、R9 是 I2C 总线上拉电阻，C10 是电源滤波电容。
左下 J1 是排针接口，用于外部通信与控制连接。R5 是限流电阻，D1 是绿色 LED，用于状态指示。
PCB 采用多层合理布局，对电源区域、射频区域、数字区域进行分区设计，保证信号完整性与抗干扰性。

图1 原理图

图2 PCB图

图3 3D实物图

nRF24L01P引脚功能定义：

引脚	名称	引脚功能	描述
1	CE	数字输入	芯片使能，激活接收（RX）或发射（TX）模式
2	CSN	数字输入	SPI 片选
3	SCK	数字输入	SPI 时钟
4	MOSI	数字输入	SPI 从机数据输入
5	MISO	数字输出	SPI 从机数据输出，带三态选项
6	IRQ	数字输出	可屏蔽中断引脚，低电平有效
7	VDD	电源	电源输入（+1.9V - +3.6V 直流）
8	VSS	电源	地（0V）
9	XC2	模拟输出	晶振引脚 2
10	XC1	模拟输入	晶振引脚 1
11	VDD_PA	电源输出	内部 nRF24L01+ 功率放大器的电源输出（+1.8V），需连接到 ANT1 和 ANT2
12	ANT1	射频	天线接口 1
13	ANT2	射频	天线接口 2
14	VSS	电源	地（0V）
15	VDD	电源	电源输入（+1.9V - +3.6V 直流）
16	IREF	模拟输入	参考电流，需连接一个 22kΩ 电阻到地
17	VSS	电源	地（0V）
18	VDD	电源	电源输入（+1.9V - +3.6V 直流）
19	DVDD	电源输出	内部数字电源输出，用于去耦
20	VSS	电源	地（0V）

NSPGD1M 传感器引脚定义

引脚	名称	引脚功能	描述
-	NC（左上方）	空引脚	无电气连接，预留或未使用
-	NC（左中）	空引脚	无电气连接，预留或未使用
-	SDA	数字输入 / 输出	I2C 数据引脚，用于与 MCU 的 MCU_IIC_SDA 通信，通过 R1（4.7K）上拉到 VDD
-	SCL	数字输入 / 输出	I2C 时钟引脚，用于与 MCU 的 MCU_IIC_SCL 通信，通过 R2（4.7K）上拉到 VDD
-	NC（右上方）	空引脚	无电气连接，预留或未使用
-	NC（右中）	空引脚	无电气连接，预留或未使用
-	GND	电源地	芯片接地端
-	VDD	电源输入	芯片电源端，连接 VDD 并通过 C1（100nF）滤波去耦

本模块的主要作用场景在于通过NSPGD1M 表压传感器远距离测量水压等压力，通过2.4G无线通信核心nRF24L01P实现远距离通信。

eZ-PLM

在本次设计中所用到的两块核心芯片，一款是nRF24L01P，一款是NSPGD1M。其中nRF24L01P可以直接在eZ-PLM中找到，而NSPGD1M传感器与实际的有一点不一样。包括在绘制原理图与PCB的时候，原理图中的符号是自定义创建的，在选择PCB封装的时候，因为数据手册上显示的封装就是DIP-8（也就是八脚直插式），于是并没有再去创建一个新的封装，而是用了一个同样封装为DIP-8的芯片代替，于是实物图上的芯片也许和传感器有一定差距。

心得体会

这是本萌新第一次参加Make Blocks活动，之前也没用使用过KiCad绘制原理图等。通过本次活动，系统的学习了原理图的制作流程以及PCB布局布线的相关基础。但是仍然会存在一些问题，如硬件知识的欠缺，如不知道哪里应该添加相应的电容电阻以及选择什么样的值。好在当下相关资料库丰富以及有AI大模型的帮助，也算是一个小小的入门了，以后还会更积极的参与类似的活动中来，感谢硬禾学堂以及电子森林提供宝贵的学习机会。