畢業(yè)設計（論文）基于nrf24z1的數(shù)字無線話筒設計

1、基于nRF24Z1的數(shù)字無線話筒設計摘 要無線數(shù)字音頻傳輸技術是指利用無線電波作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，一切以?shù)字化音頻為處理對象的操作技術。它是利用將語音信息調(diào)制到載波頻率上發(fā)射，實現(xiàn)發(fā)送端與接收端的通信。其涉及到模擬電子技術、信息技術、以及網(wǎng)絡技術等多個學科領域。也通過無線音頻傳輸系統(tǒng)，簡單控制遠端設備的運行情況以及實現(xiàn)兩端之間的語音傳輸。隨著無線音頻技術越來越成熟，越來越多的公共場合如大型會議室、教室等程系統(tǒng)采用了此技術。與有線音頻傳輸相比，無線音頻傳輸具有成本低、安裝簡便、便于移動等優(yōu)點。本次所設計的數(shù)字無線話筒以低成本、設計結構簡單為目標，對目前的射頻芯片、音頻芯片和微控制器進行篩選比較，

2、以低功耗為首選，給出基于nRF24Z1數(shù)字無線話筒的硬件結構及軟件實現(xiàn)方法。關鍵詞：nRF24Z1 ，短距離通信，無線傳輸，數(shù)字音頻 design of the digital wireless microphones Based on nRF24Z1 Author:Tutor:AbstractWireless digital audio transmission technology is the use of radio as a medium for data transmission, all in digital audio technology to deal with objec

3、t manipulation. It is the use of the voice message to the carrier frequency modulated transmitter, the transmitter and receiver to achieve communication. It relates to the analog electronics, information technology, and network technology and other disciplines. Also through wireless audio transmissi

4、on system, a simple remote control operation of devices and the realization of voice transmission between the two ends. As wireless audio technology becomes more mature, more and more public places such as large meeting rooms, classrooms and other process system using this technique. Compared with w

5、ired audio transmission, wireless audio transmission with low cost, easy to install, easy to move and so on.The digital wireless microphone designed is for low cost, simple design goal of the current radio frequency chips, audio chips and microcontrollers were screened compared to the preferred low

6、power consumption is given based on digital wireless microphone hardware nRF24Z1 Structure and software implementation. .Keywords: nRF24Z1 Short-distance communication Wireless Digital Audio目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc293479423 1.緒 論 PAGEREF _Toc293479423 h 1 HYPERLINK l _Toc293479424 1.1 研究

7、課題的現(xiàn)狀與前景 PAGEREF _Toc293479424 h 1 HYPERLINK l _Toc293479425 1.2 此次課題研究的內(nèi)容 PAGEREF _Toc293479425 h 1 HYPERLINK l _Toc293479426 2.短距離無線語音傳輸系統(tǒng)簡介 PAGEREF _Toc293479426 h 3 HYPERLINK l _Toc293479427 2.1 短距離無線語音傳輸系統(tǒng)原理 PAGEREF _Toc293479427 h 3 HYPERLINK l _Toc293479428 研究短距離無線語音傳輸?shù)囊饬x PAGEREF _Toc29347942

8、8 h 3 HYPERLINK l _Toc293479429 芯片功能結構 PAGEREF _Toc293479429 h 4 HYPERLINK l _Toc293479430 無線音頻系統(tǒng) PAGEREF _Toc293479430 h 4 HYPERLINK l _Toc293479431 音頻發(fā)射器（ATX） PAGEREF _Toc293479431 h 4 HYPERLINK l _Toc293479432 音頻輸入接口 PAGEREF _Toc293479432 h 5 HYPERLINK l _Toc293479433 控制接口 PAGEREF _Toc293479433 h

9、 5 HYPERLINK l _Toc293479434 直接數(shù)據(jù)輸入引腳 PAGEREF _Toc293479434 h 5 HYPERLINK l _Toc293479435 中斷輸出 PAGEREF _Toc293479435 h 6 HYPERLINK l _Toc293479436 3.3 音頻接收器（ARX） PAGEREF _Toc293479436 h 6 HYPERLINK l _Toc293479437 音頻輸出接口 PAGEREF _Toc293479437 h 7 HYPERLINK l _Toc293479438 音頻控制接口 PAGEREF _Toc29347943

10、8 h 7 HYPERLINK l _Toc293479439 3.4 nRF24Z1音頻數(shù)據(jù)傳輸射頻協(xié)議 PAGEREF _Toc293479439 h 7 HYPERLINK l _Toc293479440 4 基于nRF24Z1數(shù)字無線話筒設計 PAGEREF _Toc293479440 h 10 HYPERLINK l _Toc293479441 數(shù)字無線話筒系統(tǒng)分析及設計 PAGEREF _Toc293479441 h 10 HYPERLINK l _Toc293479442 4.2 發(fā)射模塊設計 PAGEREF _Toc293479442 h 10 HYPERLINK l _Toc

11、293479443 4.2.1 發(fā)射模塊電路設計 PAGEREF _Toc293479443 h 10 HYPERLINK l _Toc293479444 4.2.2 發(fā)射模塊主程序設計 PAGEREF _Toc293479444 h 12 HYPERLINK l _Toc293479445 4.2.3 發(fā)射模塊部分控制程序設計 PAGEREF _Toc293479445 h 12 HYPERLINK l _Toc293479446 4.3 接收模塊設計 PAGEREF _Toc293479446 h 13 HYPERLINK l _Toc293479447 4.3.1 接收模塊電路設計 PA

12、GEREF _Toc293479447 h 13 HYPERLINK l _Toc293479448 4.3.2 接收模塊主程序設計 PAGEREF _Toc293479448 h 14 HYPERLINK l _Toc293479449 4.3.3 接收模塊控制部分設計 PAGEREF _Toc293479449 h 15 HYPERLINK l _Toc293479450 系統(tǒng)調(diào)試及性能測試 PAGEREF _Toc293479450 h 15 HYPERLINK l _Toc293479451 硬件調(diào)試 PAGEREF _Toc293479451 h 15 HYPERLINK l _To

13、c293479452 軟件調(diào)試 PAGEREF _Toc293479452 h 16 HYPERLINK l _Toc293479453 性能測試 PAGEREF _Toc293479453 h 16 HYPERLINK l _Toc293479454 測試結果 PAGEREF _Toc293479454 h 17 HYPERLINK l _Toc293479455 結 論 PAGEREF _Toc293479455 h 18 HYPERLINK l _Toc293479456 致 謝 PAGEREF _Toc293479456 h 19 HYPERLINK l _Toc293479457 參

14、考文獻 PAGEREF _Toc293479457 h 20 HYPERLINK l _Toc293479458 附錄 PAGEREF _Toc293479458 h 21 HYPERLINK l _Toc293479459 附錄A PAGEREF _Toc293479459 h 21 HYPERLINK l _Toc293479460 附錄B PAGEREF _Toc293479460 h 261.緒 論隨著計算機網(wǎng)絡通信技術的迅猛發(fā)展，無線音頻傳輸技術應運而生，其應用也越來越被各行各業(yè)所接受。其設備安裝方便、靈活性強、性價比高等特性使得更多行業(yè)的系統(tǒng)采用無線傳輸方式，建立發(fā)送端與接收端之間

15、的連接。目前無線音頻傳輸系統(tǒng)己經(jīng)引起了學術界和工業(yè)界的高度重視，成為計算機科學領域、工業(yè)通信領域一個活躍的研究分支，被認為是對最近幾年內(nèi)產(chǎn)生巨大影響力的技術之一。無線音頻傳輸系統(tǒng)具有雙重功效，既能實現(xiàn)語音傳輸又能實現(xiàn)簡單的控制作業(yè)，而且具有無線傳輸?shù)目梢苿有?，無線連接，遠程傳輸?shù)绕渥陨淼膬?yōu)勢。隨之應運而生的無線音頻傳輸設備有很多，而且技術已經(jīng)比較成熟，相信在未來幾年內(nèi)，在短距離無線音頻傳輸領域有很大發(fā)展空間。1.1 研究課題的現(xiàn)狀與前景伴隨著無線通信技術的飛速發(fā)展，生活當中人們對無線音頻傳輸技術的要求越來越高。人們注意到在同一幢樓內(nèi)或在相距咫尺的地方，同樣也需要無線通信。而短距離無線音頻傳輸技

16、術可以滿足人們對低價位、低功耗、可替代電纜的無線數(shù)據(jù)和語音鏈路的需求。目前，無線音頻傳輸技術以其快捷方便，可以移動等特性，也受到人們的高度關注，得以快速發(fā)展。當然，人們對于它的要求也越來越高，積極跟蹤分析各種無線通信技術具有緊迫的現(xiàn)實意義，本課題就是在這樣的背景下提出來的。短距離無線音頻通信系統(tǒng)徹底擺脫了電線的束縛，在指揮調(diào)度、安全保衛(wèi)、多媒體教學、休閑娛樂等諸多領域有著廣闊的市場前景。此系統(tǒng)的特點是其綜合了語音處理和無線通信等技術，體積小，功耗低，有著較高的語音質(zhì)量和較低的成本以及較遠的傳輸距離。1.2 此次課題研究的內(nèi)容當前，隨著居住和辦公環(huán)境空間的增長，音頻的布線在大型會議室、教室等場所

17、越來越難以實現(xiàn)，成本越來越高，迫切需要無線傳輸高質(zhì)量的音頻。所以本系統(tǒng)使用了專用的ISM音頻無線收發(fā)芯片 nRF24Z1。nRF24Z1提供了標準的工業(yè)音頻接口以及數(shù)字音頻接口，使得音頻的傳輸成本大大降低，而且通信速率高達4Mbps，保證了48kbps采樣率16bit采樣的音頻無損、抗干擾傳輸，最大限度的抑制了噪聲的干擾。實際上nRF24Z1還提供了控制信息（如音量、平衡、顯示等）雙向傳輸?shù)墓δ?，是一個實用、性能、成本相結合的數(shù)字音頻芯片。本次課題就是利用nRF24Z1芯片設計數(shù)字無線話筒，實現(xiàn)芯片各種結構功能，進而實現(xiàn)短距離的無線數(shù)據(jù)傳輸。在設計過程中，研究了短距離無線傳輸?shù)墓ぷ髟砑皩崿F(xiàn)方

18、法、對方案論述的可行性，詳細介紹了所設計數(shù)字無線話筒中各模塊的組成、原理及具體的電路及軟件流程，最后完成了對數(shù)字無線話筒的硬件和軟件設計、對軟硬件的調(diào)試和系統(tǒng)性能測試。2.1 短距離無線語音傳輸系統(tǒng)原理短距離無線傳輸系統(tǒng)系統(tǒng)總體可以分為CPU主控模塊、音頻 CODEC模塊、無線射頻模塊和AES數(shù)字音頻接收模塊四部分。工作在數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)時，先由拾音設備將模擬音頻信號送給設計應用芯片，進行A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)48k采樣，16bit量化后得到數(shù)據(jù)率為768kbps的單聲道高保真語音信號數(shù)據(jù)流。數(shù)據(jù)流再經(jīng)由CPU串口高速傳送到其內(nèi)部 RAM，由CPU進行以下一系列處理：首先將數(shù)據(jù)打包、加幀頭、加校驗碼和填充

19、數(shù)據(jù)以構成傳輸幀，而后將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線傳輸模塊，以1Mbps的數(shù)據(jù)率，在 2.4GHz的頻段上以GFSK方式調(diào)制后進行無線發(fā)射。工作在數(shù)據(jù)接收狀態(tài)時，CPU首先從無線傳輸模塊接收到的數(shù)據(jù)流中尋找?guī)^，在固定幀間隔處連續(xù)找到三次幀頭來確認雙方建立幀同步。同步確立后CPU把數(shù)據(jù)和幀同步信號傳送給內(nèi)部完成去幀頭、解包和校驗的工作。最終把接收到的數(shù)據(jù)流發(fā)給主芯片，回放出清晰的語音。當前，固定區(qū)域以及模糊不清的語音通信通信已經(jīng)不能滿足人們?nèi)粘Ｉ畹男枨?，而是希望能在指定的區(qū)域內(nèi)隨時隨地進行清晰的語音交流，特別是對短距離內(nèi)的高質(zhì)量的無線語音通信更為迫切。在這種狀況下，對短距離無線音頻傳輸技術進行研究更能體

20、現(xiàn)其研究的價值。建立無線音頻傳輸系統(tǒng)的模型對其進行分析，給出系統(tǒng)的結構流程圖，在此基礎上進行開發(fā)設計相對應的無線語音產(chǎn)品具有很高的市場潛力和發(fā)展空間。鑒于這種情況，對目前的射頻芯片、音頻芯片和微控制器進行篩選比較，以低功耗為首選。以低成本、結構設計簡單為目標，選擇合適的芯片，給出最佳的設計方案。本課題研究基于nRF24Z1射頻芯片為核心的數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)的硬件、軟件構是研究短距離無線傳輸實際意義的體現(xiàn)。nRF24Z1能夠以高達1.54Mbit/s的速率處理音頻流，音頻數(shù)據(jù)的輸入/輸出、射頻協(xié)議和射頻連接等工作由片內(nèi)的硬件完成。圖所示為使用nRF24Z1的無線音頻系統(tǒng)的結構框圖，在該系統(tǒng)中，只需

21、使用簡單的或低速的微控制器即可完成系統(tǒng)的控制，微控制器通常通過串行口或并行口控制一些簡單的任務，如音量調(diào)節(jié)等。圖使用nRF24Z1的無線音頻系統(tǒng)框圖 由圖3.1可見，音頻數(shù)據(jù)的傳輸是由一對nRF24Z1實現(xiàn)的。nRF24Z1的初始配置由微控制器通過SPI或I2S接口進行控制。在接收端，外圍電路DAC的控制可以由發(fā)送端的nRF24Z1通過控制信道進行控制。如果設計中沒有使用微控制器，則配置數(shù)據(jù)可以通過片外的EEPROM/FLASH存儲器進行加載。在無線音頻處理系統(tǒng)中，音頻數(shù)據(jù)的流向總是從聲源(如Mic)到聲宿(如揚聲器)。本系統(tǒng)中，在聲源端使用nRF24Z1進行音頻數(shù)據(jù)的發(fā)送，在聲宿端使用nRF

22、24Z1進行音頻數(shù)據(jù)的接收。鑒于上述的收發(fā)差異性，nRF24Z1可能通過MODE引腳設置其工作于發(fā)射器模式或接收器模式，這兩種模式下，nRF24Z1片內(nèi)工作的模塊和I/O引腳功能都有很大差異。 音頻發(fā)射器（ATX）nRF24Z1在射頻連接的音源一方使用時，MODE引腳接高電平，使nRF24Z1成為一個ATX，其片內(nèi)功能結構如圖3.2所示。音頻數(shù)據(jù)輸入由I2S接圖3.2 nRF24Z1作為ATX時片內(nèi)功能結構框圖口或SPDIF接擔。音頻輸入接口I2S接口由CLK、DATA和WS三個引腳組成外接A/D轉(zhuǎn)換器，采樣支持32、44.1、48ksps，16或24位格式的音頻數(shù)據(jù)，MCLK引腳提供基礎采樣

23、頻率的256倍作為A/D的系統(tǒng)時鐘頻率；S/PDIF接口只有 SPDIO一個引腳，采樣支持32、44.1、48ksps，16位、20位或24位格式的音頻數(shù)據(jù)。.2控制接口作為ATX時，一般外接MCU控制nRF24Z1，ATX與ARX的配置和控制數(shù)據(jù)可以通過I2C從接口或SPI從接口提供，并可從ARX讀回狀態(tài)信息。SSEL引腳為低電平時，選用SPI從接口(SCSN、SSCK、SMISO和SMOSI)；SSEL引腳為高電平時，選用I2C從接口(SSCL、SSDA)。如果不外接MCU，也可使用SPI主接口(MCSN、MMISO、MMOSI和MSCK)或 I2C主接口(MSDA、MSCL)外掛EEPR

24、OM/Flash存儲器，nRF24Z1在上電或復位時，可從存儲器讀取默認的配置數(shù)據(jù)。直接數(shù)據(jù)輸入引腳ATX有通用輸入引腳 DD0、DD1、DD2(當SSEL=1時)。此時，ARX的DO2、DO1和DO0三個引腳的信號為DD2、DD1和DD0引腳的鏡像，使ARX在沒有MCU時也能實現(xiàn)一些控制(如音量開關等)。中斷輸出當nRF24Z1檢測到?jīng)]有音頻輸入或射頻連接斷開時，其可以通過 IRQ引腳給微控制器提供中斷信號，此時，微控制器可以通過控制接口讀取nRF24Z1的狀態(tài)信息。3.3 音頻接收器（ARX）nRF24Z1在射頻連接的音源一方使用時，MODE引腳接低電平，使nRF24Z1成為一個ARX，其

25、片內(nèi)功能結構如圖3.3所示。此時，I2S接口或S/PDIF接口用作音頻數(shù)據(jù)或其他實時數(shù)據(jù)的輸出接口。射頻連接建立后，用戶可以通過音頻發(fā)射器控制音頻接收器的SPI接口或標準2線接口。這個特性使音頻發(fā)射器能夠?qū)σ纛l接收器的DAC和放大器實現(xiàn)遙控。射頻連接建立后，通過ATX控制ARX的SPI主接口或I2C主接口，從而對ARX的D/A轉(zhuǎn)換器和音頻放大器實現(xiàn)射頻遙控。而且ARX還監(jiān)視輸入DI3:0引腳，如有變化，就把引腳的變化送回ATX，或者使ARX從睡眠狀態(tài)中回到工作狀態(tài)。ARX的DO2:0受ATX的DI 2：0控制，可驅(qū)動LED指示燈或者其他標準的CMOS器件；而DO3可編程為8位分辨率的PWM輸出

26、。圖3.3 nRF24Z1作為音頻接收器時的功能結構圖 音頻輸出接口音頻接收器的I2S接口支持8、11.025、12、16、22.05、24、32和48kHz多種接口速率，音頻數(shù)據(jù)為16位格式。在音頻接收器模式下，MCLK引腳給外部DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)256Hz的輸出頻率。音頻接收器的S/PDIF接口支持32、44.1和48kHz三種采樣速率，音頻數(shù)據(jù)可以采用16位或24位三種格式。音頻控制接口可以在SPI接口外掛EEPROM/FLASH存儲器，nRF24Z1在上電或復位時，從存儲器讀取默認的配置數(shù)據(jù)。如果沒有外掛存儲器，芯片將使用其自身的默認值。在音頻接收器的配置中，SPI接口可以工作于1M

27、Hz或0.5MHz的速率。當音頻接收器與音頻發(fā)射器建立了射頻連接之后，用戶可以通過音頻發(fā)射器來控制音頻接收器的SPI接口。在重新啟動時，音頻接收器的SPI接口工作于100kHz的速率，之后，用戶可以通過音頻發(fā)射器配置其工作于100kHz、400kHz或1MHz。3.4 nRF24Z1音頻數(shù)據(jù)傳輸射頻協(xié)議nRF24Z1芯片的射頻工作方式是采用GFSK(高斯頻率偏移鍵控)，而且為保證通信低誤碼率，芯片還采用了QoS(服務質(zhì)量)策略。該策略包括雙向通信機制和應答策略(時分雙工)、數(shù)據(jù)完整性策略和CRC檢錯、射頻搜索連接和掉線搜索重連接策略、自適應跳頻策略。雙向通信機制和應答策略雙向通信機制和應答策略

28、如圖3.4所示。ATX到ARX的通信為實時和重發(fā)的音頻信道，而ARX與ATX的雙向通信則是控制信道?？刂菩诺赖男畔ù_認信息、寄存器信息以及引腳狀態(tài)信息等。圖 nRF24Z1雙向通道數(shù)據(jù)完整性策略和CRC檢錯數(shù)據(jù)完整性策略和CRC檢錯完全通過硬件實現(xiàn)，用戶只需配置射頻協(xié)議的ATX和ARX的地址。發(fā)送和返回的數(shù)據(jù)包以數(shù)據(jù)幀為單位，其幀格式如圖3.5所示。圖3.5 nRF24Z1發(fā)送和返回數(shù)據(jù)幀格式圖中，P(引導碼)在數(shù)據(jù)幀的開頭，作為數(shù)據(jù)流同步使用；ADDR(接收端地址)為片內(nèi)寄存器 ADDR0ADDR4；ID(數(shù)據(jù)包標識碼)，其取值為063；C(音頻壓縮標識位)，1位，表示本幀音頻數(shù)據(jù)是否壓

29、縮；ACK表示ARX返回ARX所接收到的音頻數(shù)據(jù)情況；DATA是控制或寄存器數(shù)據(jù)，作為收發(fā)雙方傳輸?shù)墓ぷ鲾?shù)據(jù)；AUDIO DATA為實時和重發(fā)的音頻數(shù)據(jù)，一幀采樣16組立體聲數(shù)據(jù)，每組32位；CRC檢測本幀數(shù)據(jù)是否有錯。ARX接收數(shù)據(jù)時，nRF24Z1先接收一幀數(shù)據(jù)包，分別驗證引導碼、ARX地址和校驗碼正確后，就返回表示接收正確(ARX工作狀態(tài)裝在DATA)的確認碼，然后讀出DATA數(shù)據(jù)，根據(jù)DATA數(shù)據(jù)完成ARX的任務，再根據(jù)C的標識決定本幀音頻數(shù)據(jù)是否解壓縮，最后按標識碼ID把音頻數(shù)據(jù)排隊通過I2S接口發(fā)送出去。反之，放棄本幀數(shù)據(jù)，返回有錯誤(ARX的工作狀態(tài)和錯誤內(nèi)容裝在DATA)的確認

30、碼，要求重發(fā)。其中，PKT1，PKT2，PKT8為實時音頻數(shù)據(jù)；X1，X2，XN為重發(fā)的音頻數(shù)據(jù)。（3）射頻連接初始化 在射頻連接建立之前，音頻發(fā)射器在所有可用的頻道上，反復地向音頻接收器發(fā)送搜索信息包，在每個頻道上搜索一段時間，以使音頻接收器能夠接收和處理搜索信息。與此同時，音頻接收器也在所有可用的頻道上監(jiān)聽信息，每個頻道監(jiān)聽一段時間，一旦監(jiān)聽到來自音頻發(fā)射器的搜索信息包，音頻接收器發(fā)送應答信息，音頻接收器和音頻發(fā)射器都鎖定該頻道，以準備通信。nRF24Z1的這種連接方式有助于防止干擾，減少與在2.4G頻段上工作的其它射頻設備之間的通信碰撞。 （3）自適應跳頻策略為了提高射頻通信的抗干擾性和

31、可靠性，nRF24Z1支持自適應跳頻通信。nRF24Z1具有38個自適應通信的工作頻率，各個頻率分別由跳頻寄存器CH0CH37控制。在跳頻時，nRF24Z1根據(jù)跳頻寄存器中的內(nèi)容，按順序改變工作頻率，也就是說，當CH0的頻率受到干擾而無法進行射頻連接時，nRF24Z1會使用CH1進行連接，如果CH1受到干擾，則使用CH2，依次類推。因此，在跳頻通信之前，各個跳頻寄存器要通過外部EEPROM或微控制器進行初始化。如果想CH0對應于頻率2420MHz，則只需在CH0寄存器中寫入20，如果想CH0對應于頻率2440MHz，則只需在CH0寄存器中寫入40，這樣，在跳頻通信時，芯片就能夠按順序跳頻到相應

32、的頻道。4 基于nRF24Z1數(shù)字無線話筒設計無線話筒發(fā)射端為可攜帶的便攜式話筒，主要由無線數(shù)字音頻 nRF24Z1、A/D轉(zhuǎn)換器、MCU 等組成。當nRF24Z1作為發(fā)射端時，其MODE引腳必須接到高電平，I2S接口作數(shù)字音頻輸入接口。無線話筒輸入的主信號源選用有良好聲學性能、貼片電容式硅麥克風，通過前置放大，作為A/D主要的模擬音頻信號源；另外可自帶CD機等其他任何標準的立體聲音源作為另一組模擬音頻信號源。MCU除了通過 I2C兼容接口控制nRF24Z1和A/D轉(zhuǎn)換器外，還處理Play(放音/靜音/睡眠)、Micup(話筒增益增大)、Micdown(話筒增益減小)按鍵和指示燈的工作提示。無

33、線話筒接收端為固定式接收端，由無線數(shù)字音頻nRF24Z1、CPU、D/A轉(zhuǎn)換器和音頻功率放大電路組成。當nRF24Z1用作音頻接收器時，MODE引腳必須為低電平，I2S接口作數(shù)據(jù)音頻輸出接口。設計系統(tǒng)流程如4.1所示。麥克風發(fā)送端單片機ST89C51無線射頻芯片nRF24Z1無線射頻芯片nRF24Z1接收端單片機ST89C51揚聲器圖4.1 無線話筒系統(tǒng)設計流程總框圖4.2 發(fā)射模塊設計 發(fā)射模塊電路設計無線發(fā)射模塊主要包括電源供電部分、聲音信號的模數(shù)轉(zhuǎn)換部分、載波發(fā)射部分、MCU控制部分，另外在整個電路的印制板設計中還要考慮抗干擾能力。當nRF24Zl作為音頻的發(fā)射器時，須將MODE引腳置為

34、高電平，在本設計中將MODE引腳接VDD，使nRF2421成為一個ATX，其片內(nèi)功能結構如圖4.2所示。12S接口或S/PDIF接口可以用作音頻數(shù)據(jù)的輸入接口，12S接口由CLK、DATA和WS三個引腳組成，S/PDIF接口只需要SPDIO一個引腳，在聲源與nRF2421距離比較近時推薦使用12S接口，反之推薦使用S/PDIF接口。其電路圖如4.2圖所示，圖4.2 發(fā)射模塊電路總框圖nRF24Z1的時鐘選擇外接16M晶振，晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負載電容值，選擇與負載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標稱的諧振頻率。一般的晶振振蕩電路都是在一個反相放大器的兩端接入晶振，再有兩個電容分別接

35、到晶振的兩端，每個電容的另一端再接到地，這兩個電容串聯(lián)的容量值就應該等于負載電容，請注意一般IC的引腳都有等效輸入電容，這個不能忽略。一般的晶振的負載電容為15p或12.5p，如果考慮元件引腳的等效輸入電容，則兩個22p的電容構成晶振饋電阻，是為了保證反相器輸入端的工作點電壓在VDD/2，這樣在振蕩信號反饋在輸入端時，能保證反相器工作在適當?shù)墓ぷ鲄^(qū)。雖然去掉該電阻時，振蕩電路仍工作了，但是如果從示波器看振蕩波形就會不一致了，而且可能會造成振蕩電路因工作點不合適而停振，所以千萬不要省略此電阻。該電阻是為了使本來為邏輯反相器的器件工作在線性區(qū)，以獲得增益，在飽和區(qū)是沒有增益的，而沒有增益是無法振蕩

36、的。如果用芯片中的反相器來做振蕩，必須外接這個電阻，對于CMOS而言可以是lM以上，對于TTL則比較復雜，視不同類型而定。 發(fā)射模塊主程序設計先編寫初始化程序，設置單片機的初始狀態(tài)，再寫A/D轉(zhuǎn)換程序，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。然后，編寫時序，從寄存器中讀出數(shù)據(jù)，發(fā)送給無線傳輸芯片，無線傳輸芯片便會自動將TX FIFO寄存器中的數(shù)據(jù)依次發(fā)送出去。發(fā)射程序流程圖如圖4.3所示。開始初始化A/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換是否完成發(fā)送到nRF24Z1是否發(fā)送完畢返回NNY圖4.3 發(fā)射程序流程圖 發(fā)射模塊部分控制程序設計無線音頻傳輸系統(tǒng)的接收和發(fā)送控制有以下三種情況：(1)無線接收模塊始終處于工作狀態(tài)，不時地試著建立

37、連接。當發(fā)射模塊開機或者在睡眠狀態(tài)下有鍵按下而將其喚醒時，收、發(fā)模塊間建立連接。(2)無線發(fā)射模塊始終處于工作狀態(tài)，不時地試著建立連接。當接收模塊開機或者在睡眠狀態(tài)下有鍵按下而將其喚醒時，收、發(fā)模塊間建立連接。(3)無線收、發(fā)模塊始終處于工作狀態(tài)，不時地試著建立連接。對以上三種方案進行比較，第一種方案發(fā)射模塊的功耗較小，第二種方案接收模塊功耗較小，第三種方案功耗最大。雖然本設計的主要問題是解決發(fā)射端功耗過大的問題，但是由于設計采用微功耗收發(fā)芯片，發(fā)射端在工作環(huán)境下電流消耗約為30mA，當由兩節(jié)230mA的電池供電時可連續(xù)工作10小時；再者，為了防止突然間的間斷而使系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)，最終選擇方案

38、三。由于接收端是固定的，可以通過直流電源進行供電。發(fā)射模塊控制程序流程的設計思路為：當發(fā)射端電源開關閉合時，發(fā)射端試著與接收模塊建立連接；當連接建立后，收、發(fā)模塊間進行數(shù)據(jù)傳輸。圖4.4 發(fā)射部分控制程序流程圖4.3 接收模塊設計 接收模塊電路設計為了簡化設計思路，本設計方案中在接收部分nRF24Zl還是工作于從模式，其初始化及控制由外部的單片機完成。接收模塊的射頻部分，當nRF24Z1作為音頻的接收器時，需將MODE引腳置為低電平，在該設計中將MODE引腳接VDD，使nRF24Z1成為一個ARX，其他部分與發(fā)射模塊基本相同。nRF24Zl作為接收模塊時電路圖如4.5所示 圖4.5 接收模塊電

39、路圖 接收模塊主程序設計寫編寫程序，設置單片機寄存器的初始狀態(tài)，以及接收芯片的初始狀態(tài)，然后編寫接收程序，將接收芯片寄存器中的數(shù)據(jù)讀出來，通過串口，傳送給微控制器。程序流程圖如4.6圖所示：圖4.6 接收程序流程圖 接收模塊控制部分設計圖4.7 接收部分控制程序流程圖接收部分的控制流程如圖4.7所示，當發(fā)射模塊上電后，ST89C51單片機首先完成自身的初始化配置，禁止不用的輸入輸出口，配置12C總線接口，使其為主模式。接下來單片機通過12C總線接口配置數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，配置其為睡眠模式以降低能耗。最后通過12C總線完成nRF24Z1的初始化配置。當接收模塊收到發(fā)射模塊的請求時，將與發(fā)射模塊進行連接

40、。當連接成功時，將首先配置工作模式，然后將收到的12S音頻序列通過ST89C51進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，最終音頻信號將由耳機接口輸出。如果收發(fā)模塊連接不成功時，則退出進入睡眠模式。此時在l10的時間段里，收、發(fā)模塊試著進行連接，如果連接成功則退出失眠模式。硬件調(diào)試主要包括電源調(diào)試、控制電路的調(diào)試、ADC轉(zhuǎn)換、DAC轉(zhuǎn)換及無線收發(fā)部分的調(diào)試。為了防止人為的錯誤，系統(tǒng)在繪制PCB板時，分成了nRF24Z1模塊(nRF24Z1模塊在收發(fā)電路中是相同的)、模數(shù)轉(zhuǎn)換與控制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換與控制模塊三個部分。采用模塊化的結構，可以對硬件分開調(diào)試，比較方便。硬件調(diào)試硬件調(diào)試主要是對電源、主結構線路連接、麥克風和揚聲器的

41、調(diào)試，這個在性能測試之前做到調(diào)試完成無任何問題，在軟件調(diào)試之前本人已完成硬件調(diào)試，實物如下圖：軟件調(diào)試由于本設計中發(fā)送模塊為了降低工作電壓，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片選擇ST89C51，其采用28引腳的QFN封裝，所以在焊接的時候難免虛焊或者造成短路。調(diào)試ST89C51時，可以讓單片機通過12C總線對ST89C51的寄存器進行配置，如果配置成功則單片機的某一引腳置高電平，這樣就可以測試其是否正常。其中nRF24Z1的調(diào)試是整個系統(tǒng)中最為關鍵的部分，nRF24Z1調(diào)試成功的關鍵在于控制字及數(shù)據(jù)的寫入，因為nRF24Z1工作時需要嚴格的時序，如果時序不正確，nRF24Zl就不能正常工作。調(diào)試nRF24Z1與ST

42、89C51的調(diào)試相類是，也是讓單片機通過12C總線對ST89C51的寄存器進行配置，看是否成功。性能測試短距離無線音頻傳輸系統(tǒng)的性能測試，主要由傳輸速率、誤碼率、最大傳輸距離這三個方面來評價。由于本系統(tǒng)傳輸?shù)氖且纛l數(shù)據(jù)，而無線音頻傳輸系統(tǒng)在不同發(fā)射功率下的傳輸距離是不同的，為了在滿足通信距離的條件下降低系統(tǒng)功耗，就要降低其的發(fā)射功率。所以首先測試在不同發(fā)射功率下的傳輸距離。再者，由于本設計的另一個主要目的是為了解決目前短距離無線音頻傳輸系統(tǒng)功耗過高的問題，所以本系統(tǒng)的功耗是一個重要的性能指標。測試結果(1)距離測試：室內(nèi)距離測試如下表：供電電壓/V傳輸距離/m音頻質(zhì)量5收到且非常清晰8收到且非

43、常清晰12收到且非常清晰5收到且非常清晰8收到且非常清晰12收到且非常清晰室外距離測試如下表：供電電壓/V傳輸距離/m音頻質(zhì)量20收到且非常清晰50收到且清晰75收到有少許雜音20收到且非常清晰50收到且非常清晰75收到且清晰(2) 功耗測試：發(fā)射系統(tǒng)供電電壓/V功耗/mw估計工作時間/h(IC31mA)P10(IC31mA)P21接收系統(tǒng)供電電壓/V功耗/mw估計工作時間/h(IC36mA)P9(IC36mA)P測試結果表明：短距離無線音頻傳輸系統(tǒng)完全達到設計要求，滿足設計需要。結 論本課題著眼于短距離無線數(shù)字音頻傳輸中所存在的主要問題，提出了以NORDIC公司的超低功耗射頻芯片nRF24Z

44、1為核心的數(shù)字無線話筒設計方案，在此次設計中做的重點工作可分為一下三部分：（1）介紹短距離無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)的模型，對各部分的作用加以說明，并對無線音頻數(shù)字傳輸系統(tǒng)進行能耗分析。依照理論知識，建立了短距離無線音頻數(shù)字傳輸系統(tǒng)的最初模型。（2）依據(jù)整體設計方案，以低功耗、可行性為依據(jù)，對揚聲器、模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和電源設計進行選型，設計出系統(tǒng)的硬件電路，并完成軟件的編寫。（3）在完成設計的基礎上，從性能和工作狀態(tài)等方面對該系統(tǒng)進行實驗測試。測試結果表明該系統(tǒng)完全符合設計要求。由于本設計是初次研究設計，為了降低開發(fā)和調(diào)試難度，無線收、發(fā)模塊均采用單片機控制，這使得單片機接口資源利用低下，并且占用較大面積的

45、PCB板。在以后的開發(fā)中，從降低成本的角度考慮，可以采用收、發(fā)模塊程序都存儲在EEPROM(電可擦可編程只讀存儲器)中，通過總線控制的方式。本設計的針對性很強，目的是為了解決目前無線話筒存在的功耗高、音質(zhì)差等問題，采集的信號是人發(fā)出的聲音，所以在本論文中沒有考慮線輸入音頻信號的無線傳輸問題。后續(xù)工作可以在無線發(fā)射部分加入線輸入音頻接口，軟件也做相應調(diào)整，使此系統(tǒng)更加完美。致 謝四年的校園生活轉(zhuǎn)眼流逝，對于今天的我來說，在成長中對給予我任何幫助的人都感恩不盡。特別是在最后的論文設計工作中，首先要感謝我的導師王照平教授。王老師開闊的視野，為我提供了極大的發(fā)揮空間，在基于nRF24Z1數(shù)字無線話筒設

46、計的工作中不僅讓我鞏固了以前的所學到的理論知識更是加強了我的實踐動手能力。王老師寬厚待人的學者風范更是令我無比感動！恩師嚴謹求實、勤勉審慎、精益求精的治學風范、豁達樂觀的人生態(tài)度，都對我產(chǎn)生了深遠的影響。論文的選題、構思和寫作，始終得到導師的悉心指導、嚴格要求和親切鼓勵！王老師對我論文設計的精心指導也讓我明白了做任何事情做到嚴謹細致、一絲不茍，才能做出屬于自己最出色的杰作。在畢業(yè)論文撰寫過程中，也得到了多位老師、同學、朋友的關心和幫助。還要感謝本科四年學習期間的每一位老師，是你們你們辛勤工作和教誨使我受益匪淺，讓我學到了大量的理論專業(yè)知識，這也是我畢業(yè)論文的基礎。最后再次感謝導師王照平教授以及

47、四年本科學習期間幫助我的每一位老師，一起互相學習的每一位同學!感謝系、院所有老師和同學對我學習的支持！謝謝！參考文獻1 HYPERLINK :/ cqvip /main/ywlist.aspx?f=0&u=Nordic+Semiconductor+nRD24-02+Nordic Semiconductor, nRD24-02 nRF24Z1 Headphone Reference Design EB/OL. :/ nordicsemi.no, 2007.2 HYPERLINK :/union.dangdang /transfer/transfer.aspx?from=P-238055&back

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49、Hz%3EN?O:mGFBd6%25.6%1CnRF2421,%206TC%16C3)j%25WGC=h.2005.21ICFZ.7 湯煒偉，孫新亞，吉吟東基于nRF24Z1的無線數(shù)字/模擬音頻傳輸系統(tǒng) J .電子技術應用 ,2007(4):41-43 .8 倪其育音頻技術教程M北京：國防工業(yè)出版社，2006.9 韓紀慶，馮濤等音頻信息處理技術M北京：清華大學出版社，2007.10 呂江波，虞露SPDIF數(shù)字音頻接口和接收機中的數(shù)據(jù)譯碼實現(xiàn)J電聲技術2002(9)：15-20 11 黃會雄基于UDAl34l數(shù)字音頻接口嵌入式電路的設計J山西電子技 術2007(1)：25-27.12 高亮，周德

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51、0100 /音量減小/nRF24Z1 I0 definitions#define LINKFINDCOUNTER 32 /連接次數(shù)設置#define LINKFINDPERIOD 32 /連接時間間隔設置#define MAXPOLLITER 100 /超時標志#define POLLDURATION 4 /在_個不成功的連接等待的時間#define FLAGREADY 0 x00 /定義nRF24Z1準備#define OKAY 0 x00#define TIMEOUT 0 xFF /定義超時#define LINKPRESENT 0 x0l /_個鏈接#define I2S 0 x01 /

52、定義12S作為數(shù)字音頻接口/定義中斷#define INT_VOID 0 x00 /沒有中斷#define INT_LBROKEN 0 x40 /鏈接失敗中斷#define INT_LQUAL 0 x20 /鏈接品質(zhì)低中斷#define INT_RTRANS 0 x10 /ATX數(shù)據(jù)傳輸完成中斷#define INTRINPUT 0 x08 /輸入改變中斷#define INTLERROR 0 x04 /鏈接高錯誤中斷#define INTWAKE 0 x02 /喚醒中斷/當nRF24Z1 在從模式下，處理器通過2線接口讀出1字節(jié)char zl_singleread(char adr)retu

53、rn mcu_2w_read(Zl2WDEVADR，adr)； 向nRF24Z1寄存器中寫入1個字節(jié)void zl_singlewrite(char adr，char data)mcu_2W_write(Z12WDEVADR，adr，data)；/nRF24Zl鏈接測試char z1_haslink(Void)char counter=4；while(counter!=0)if(zl_singleread(LNKSTA)!=LINKPRESENT) /標志位沒有準備好 return 0； /有標志位，但是要進行再次測試 else Mcu_wait_ms(5);return 1； /連接測試成功

54、/等待鏈接建立char z1_haslink_wait(Void)char temp=LINKFINDCOUNTER；while(temp!=0)if(zl_haslink() /是否建立鏈接 return l：else /沒有，等待再次測試建立鏈接temp；mcu_wait_ms(LINKFINDPERIOD)；return 0; ；/ATX開始重新建立1個鏈接void z1_force_relink(Void)/配置LNKMOD4寄存器，觸發(fā)重新鏈接zl_singlewrite(LNKMOD，0 xl0)；#ifdef Z1ALTERADDRESS/私有地址的設置是在RX和TX建立連接后，

55、設置地址和跳頻寄存器Void z1_setpriVateadr(Void)z1_sing1ewrite(ADDR_0，mcu_randombyte()；z1_singlewrite(ADDR_1，mcu_randombyte()；zl_singlewrite(ADDR_2，mcu_randombyte()；zl_singlewrite(ADDR_3，mcu_randombyte()；zI_singlewrite(ADDR_4，mcu_randombyte()；/初始地址寄存器設置Void z1_setinitialadr(Void)zl_singlewrite(ADDR_0，0 x98)；z1

56、_singlewrite(ADDR_1，0 x38)；z1_singlewrite(ADDR_3，0 xA2)；zl_singlewrite(ADDR_4，0 x34)；zl_singlewrite(ADDR_4，0 x85)；#endif /Z1ALTERADDRESS#ifdef Z1INTERRUPT/測試中斷函數(shù)char zl_jntstatus(Void)char temp=z1_singleread(INTSTA)；if(temp&INT_LBROKEN)!=00 x0) Return INT_LBROKEN; else if(temp&INT_LQUAL)!=00 x0) return INT_LQUAL; else if(temp&INT_RTRANS)!=00 x0) return INT_RTRANS;else if(temp&INT_RINPUT)!=00 x0) return INT_RINPUT;else if(temp&INT_LERROR)!=00 x0) return INT_LERROR;else if(temp&INT_WAKE)!=0 x00) return INT_WAKE;else return INT_VOID;/nRF24Z1中斷控制void z1_intinit(c