一種基于nRF2401的無線語音通信的實現(xiàn)

0引言

短距離無線語音通信的應(yīng)用之一是無線對講機，這種通信方式一般是同頻單工，給通話帶來了一定程度的不便，于是許多替代的技術(shù)便應(yīng)運而生。

本文介紹的這種系統(tǒng)，利用AVR單片機實現(xiàn)語音信號的編解碼，利用大容量Flash存儲芯片實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的存儲，利用nRF2401無線收發(fā)芯片實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的無線傳輸和具體接收方的選擇，具有實時半雙工通信、可加密、錄音回放的特點，并且能夠方便地應(yīng)用到短距離無線通信產(chǎn)品中。

1硬件設(shè)計

1.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2單片機及周邊電路

MCU采用ATmega16。ATmega16是ATMEL公司生產(chǎn)的基于增強的AVR RISC(精簡指令集計算機)結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微處理器。它具有16 kB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash存儲器，512 B的EEPROM，1 kB的SRAM，內(nèi)置8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的A／D轉(zhuǎn)換器，一個SPI串行端口，以及6個可以用于軟件進行選擇的省電模式。

MCU負責輸入語音信號的A／D采樣、CVSD(連續(xù)可變斜率增量調(diào)制)編碼和解碼、無線收發(fā)芯片的控制、D／A轉(zhuǎn)換等。MCU及外圍電路見圖2。

1.2.1語音放大電路

本系統(tǒng)采用兩級高輸入阻抗的反向放大器將從傳聲器獲得的微弱語音信號放大，兩級的增益分別為Av1=-R30／R29≈-4.17，Av2=-Ra6／R3z≈-2.56，總的最大增益為Avmax=Av1Av2≈10.7，電路如圖3所示。

1.2.2 Flash存儲芯片

Flash存儲芯片采用AT45DB161D，它是一種工作電壓可低至2.7V并具有串行接口的快閃存儲器，其主存儲區(qū)容量為16 Mbit，分為4 096頁，每頁512 B或528 B。還帶有2個512 B／528 B的SRAM數(shù)據(jù)緩存，這樣主設(shè)備就可通過SPI接口向AT45DB161D高速寫入數(shù)據(jù)流。該芯片非常適用于存儲圖像、數(shù)據(jù)和數(shù)字聲音。它與MCU的接口電路見圖4。

1.2.3 D／A轉(zhuǎn)換電路

D／A轉(zhuǎn)換芯片采用TLC5615，它是帶緩沖基準輸入(高阻抗)的10位電壓輸出D／A轉(zhuǎn)換器，具有基準電壓2倍的輸出電壓范圍，3線串行接口，對于滿度輸入階越跳變，該D／A轉(zhuǎn)換器建立時間為12.5μs，即更新速率為80 kHz。它與MCU的接口電路見圖5。

1.2.4音頻濾波電路

采用2階高、低通濾波器構(gòu)成300 Hz～3.4 kHz帶通濾波器，其中高通濾波器采用2階壓控電壓源高通濾波，其傳遞函數(shù)為：

低通濾波器采用2階壓控電壓源低通濾波，其傳遞函數(shù)為：

式中：ωn=1／(RC)，為特征角頻率；Q=1／(3-AVF)，為等效品質(zhì)因數(shù)。

電路如圖6所示。

1.2.5輸出放大電路

經(jīng)帶通濾波器輸出的聲音回放信號幅度為0～5V，可用耳機直接收聽。但考慮到實際中會使用揚聲器外放，故在本系統(tǒng)中增加外放功能。該電路增益為50～200，連續(xù)可調(diào)，最大不失真輸出功率325 mW。輸出端接C5、R4串接電路，以校正揚聲器的頻率特性，防止高頻自激。腳7接220μF去藕電容，以消除低頻自激。為便于該功放在高增益情況下工作，將LM386不使用的輸入腳2對地短路。電路見圖7。

1.3 nRF2401芯片

nRF2401是單片射頻收發(fā)芯片，工作于2.4 GHz～2.5 GHz的ISM(工業(yè)、科學和醫(yī)療)頻段，芯片的輸出功率和通信頻道可以通過程序進行配置。芯片功耗非常低，以-5 dBm功率發(fā)射時，工作電流只有10.5 mA，接收時工作電流只有18 mA，很適合本系統(tǒng)中的無線語音傳輸系統(tǒng)。

1.3.1工作模式

nRF2401有4種工作模式：收發(fā)模式、配置模式、空閑模式和關(guān)機模式，由PWR_UP，CE，CS這3個引腳決定，如表1所示。

nRF2401的收發(fā)模式有突發(fā)(ShockBurstTM)模式和直接收發(fā)模式兩種，由器件配置字決定。nRF2401一般工作于突發(fā)模式，這種做法有三大好處：減小系統(tǒng)的平均工作電流；低的系統(tǒng)費用(低速微處理器也能進行高速射頻發(fā)射)；數(shù)據(jù)在空中停留時間短，抗干擾性高。所以以下著重介紹突發(fā)模式。

在突發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先人先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從微控制器送入，但高速(1 Mbit／s)發(fā)射，與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號處理都在片內(nèi)進行。把nRF2401配置為突發(fā)模式需15字節(jié)配置字，配置完成后，在nRF2401工作過程中只需改變其最低一個字節(jié)中的內(nèi)容，就可實現(xiàn)接收模式和發(fā)送模式間的切換。

1.3.2 nRF2401接口電路

本系統(tǒng)中nRF2401由ATmega16單片機控制，其接口電路示意圖如圖8所示。

2軟件設(shè)計

軟件的主要功能如下：首先判斷收發(fā)狀態(tài)，在發(fā)送模式下，單片機內(nèi)部將接收數(shù)據(jù)進行CVSD編碼后發(fā)送至無線收發(fā)芯片；在接收模式下，單片機接收傳人的數(shù)據(jù)，并進行CVSD解碼，然后將數(shù)據(jù)送給D／A轉(zhuǎn)換器，直至所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢。軟件流程見如圖9。

3結(jié)束語

本系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試，音質(zhì)良好，有效通信距離可達到100 m，采樣率為8 kHz時語音存儲時間可達到約4min，可以方便地應(yīng)用于無線教學系統(tǒng)等場合。