射頻nRF9E5與無線耳機系統(tǒng)設(shè)計

作者Email: greatchen1979@163.com

摘要：通過利用Nodic提供的射頻SoC(片上系統(tǒng))nRF9E5模塊，設(shè)計了符合耳機剖面的具有良好性能的無線耳機系統(tǒng)，并說明無線收發(fā)系統(tǒng)框架、各個組成部分、工作方式。在此基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計以及耳機系統(tǒng)的通訊機制和流程。最后，論述了該方案的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：無線收發(fā)，無線耳機，語音網(wǎng)關(guān)

引言

木文所述無線耳機在設(shè)計上有兩個特：一是印刷線路板體積一定要?。欢亲鳛殡姵毓╇姷碾娮赢a(chǎn)品，一定要求把線路的功耗設(shè)計得非常低。根據(jù)以上第一點原則，在設(shè)計中一是要盡可能的采用集成度高的貼片封裝芯片，二是芯片的外圍元件一定要少；根據(jù)第二原則，除了采用低功耗芯片設(shè)計產(chǎn)品外，產(chǎn)品中在守候狀態(tài)時應(yīng)使電源間歇脈沖供電。Nordic VLSI公司推出的射頻收發(fā)芯片nRF9E5特別適合我們的要求。該芯片內(nèi)置nRF905 433/868/915MHz收發(fā)器、8051兼容微控制器和4輸入10位80 ksps AD轉(zhuǎn)換器，是真正的系統(tǒng)級芯片。內(nèi)置nRF905收發(fā)器與nRF905 芯片的收發(fā)器一樣，可以工作在ShockBurstTM(自動處理前綴、地址和CRC)方式。內(nèi)置電壓調(diào)整模塊，最大限度地抑制噪音，為系統(tǒng)提供1.9V到3.6V的工作電壓。nRF9E5符合美國通信委員會和歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)學(xué)會的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很適用于無線耳機設(shè)計。

1．    nRF9E5功能介紹
1．    1  控制器【1】

nRF9E5 的片內(nèi)微控制器與標(biāo)準(zhǔn)8051 兼容，其中斷控制器支持5 個擴展中斷源：ADC 中斷、SPI 中斷、RADIO1中斷、RADIO2 中斷和喚醒定時器中斷。片內(nèi)控制器還有3 個與8052 相同的定時器。1 個和8051相同的串口，可以用定時器1 和定時器2 來作為異步通信的波特率產(chǎn)生器。此外， 還擴展了2 個數(shù)據(jù)指針， 以方便于從XRAM 區(qū)讀取數(shù)據(jù)。微處理器中有256B的數(shù)據(jù)RAM和512B的ROM。上電復(fù)位或軟件復(fù)位后， 處理器自動執(zhí)行ROM引導(dǎo)區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下， 從EEPROM加載到1個4KB的RAM中， 這個4KB的RAM也可作存儲數(shù)據(jù)用。

微控中還包含SPI接口，引腳有MISO( 接收EEPROM的SDO送來的數(shù)據(jù)) 、S C K (給EEPROM的SCK提供時鐘信號)、MOSI(送數(shù)據(jù)到EEPROM的SDI)、EECSN(給EEPROM 的CSN 送使能信號) 。SPI 口的MISO 、SCK和MOSI 與P1 口的低3 位重用，通過寄存器SPI_CTRL 控制來控制功能間的撤換。S P I 硬件不產(chǎn)生任何片選信號，可以用GPIO 口來進(jìn)行片選。通常，系統(tǒng)上電時，SPI 自動和片外25320 相連。當(dāng)程序加載完成后，MISO(P1.2)、MOSI(P1.0)和SCK(P1.0)可能會用作其它用途，比如其它的SPI 器件或GPIO。這使得nRF9E5其內(nèi)置的微控制器的功能十分強大。

1．2  射頻收發(fā)器【2】

nRF9E5 收發(fā)器通過內(nèi)部并行口或內(nèi)部SPI 口與其它模塊進(jìn)行通信，具有同單片射頻收發(fā)器nRF905 相同的功能。收發(fā)器通過片內(nèi)MCU的并行口或S P I 口與微控制器通信， 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好，載波檢測和地址匹配信號能夠作為微控制器和中斷。nRF9E5 工作于433/868/915MHz ISM 頻段。收發(fā)器由1 個完整的頻率合成器、1 個功率放大器、1 個調(diào)節(jié)器和2 個接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數(shù)可通過對特殊功能寄存器RADIO(0xA0) 編程進(jìn)行控制。發(fā)射模式下，射頻電流消耗為11mA，接收模式下為12.5mA。為了節(jié)能， 可通過程序控制收發(fā)器的開/ 關(guān)。

1.2.1  nRF9E5收發(fā)方式的選擇

與nRF401 和nRF903不同的是，nRF9E5 使用SPI 接口進(jìn)行單片機與無線模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。這部分在nRF9E5片內(nèi)的8051 內(nèi)核與nRF905 射頻收發(fā)器之間完成。nRF9E5的收發(fā)器有三種工作方式，ShockBurst 接收(RX)方式、ShockBurst 發(fā)送(TX)方式和空閑方式。當(dāng)收發(fā)器在空閑方式下， 微控器依然在運行。nRF9E5 收發(fā)器的工作方式由特殊功能寄存器T R X _ C E和TX_EN 決定，具體見表1 所列。

表1  nRF9E5工作模式

nRF9E5 使用Nordic VLSI 公司的ShockBurst 的特性，進(jìn)行高速的數(shù)據(jù)傳輸。與射頻數(shù)據(jù)相關(guān)的協(xié)議由nRF9E5 片內(nèi)的nRF905 收發(fā)器自動處理。nRF9E5 只用簡單的SPI 接口便能和nRF905 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣热Q于SPI 接口的速度，這個可以在nRF9E5 片內(nèi)8051內(nèi)核中進(jìn)行配置。ShockBurst 實現(xiàn)低速數(shù)據(jù)輸入，高速數(shù)據(jù)輸出，從而降低了系統(tǒng)的平均能耗。在ShockBurst接收方式下，當(dāng)收到一個有效地址的射頻數(shù)據(jù)包時， 地址匹配寄存器位(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好寄存器位(DR)通知片內(nèi)MCU 把數(shù)據(jù)讀出。在ShockBurst　發(fā)送方式下，nRF9E5自動給要發(fā)送的數(shù)據(jù)加上前綴和C R C 校驗。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送完后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好寄存器位( D R )會通知MCU 數(shù)據(jù)已經(jīng)處理完畢。當(dāng)系統(tǒng)沒有發(fā)送和接收任務(wù)時， 其進(jìn)入空閑方式。nRF9E5 在空閑方式下，一旦有任務(wù)要處理時，其能夠在很短的時間內(nèi)就進(jìn)入ShockBurst 接收方式和ShockBurst發(fā)送方式?？臻e方式下， 晶體振蕩器依然工作，配置字中的內(nèi)容不至于丟失。

1.2.2  nRF9E5收發(fā)時的載波檢測功能

對于nRF9E5而言，其最大的優(yōu)點是具有載波檢測功能。在ShockBurst 接收方式下，當(dāng)出現(xiàn)nRF9E5 工作信道內(nèi)的射頻載波時，載波檢測引腳(CD)被置高， 這個特性很好的避免了同一工作頻率下不同發(fā)射器數(shù)據(jù)包之間的碰撞，有效的防止了信號的干擾。當(dāng)收發(fā)器準(zhǔn)備發(fā)射數(shù)據(jù)時， 它首先進(jìn)入接收方式并探測所工作的信道是否空閑。載波檢測的標(biāo)準(zhǔn)一般比靈敏度低5 dB，比如，靈敏度為-100 dBm，載波檢測功能探測低至-105 dBm 的載波。也就是說，載波低于-105 dBm，載波檢測信號為低(一般為0)，高于-95 dBm，則載波檢測信號為高(一般為VDD)，介于-105~95 dBm 之間， 載波檢測信號可能為低也可能為高。

 2．無線耳機系統(tǒng)硬件設(shè)計 
                

圖1  無線耳機硬件設(shè)計原理圖

無線耳機硬件設(shè)計原理圖如圖1所示。整個系統(tǒng)包含兩部分，無線耳機和語音網(wǎng)關(guān)。語音網(wǎng)關(guān)的硬件組成分為主機(PC或者是手機)、射頻收發(fā)模塊和編/解碼(conFc)模塊。nRF9E5 的外圍元件很少，僅10個左右。只包括一個4MHz基準(zhǔn)晶振(可與MCU共享)、一個PLL環(huán)路濾波器和一個VCO電感，收發(fā)天線合一，沒有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來了極大的方便。編/解碼模塊采用M otorola MC 145483通過 PCM接口與射頻模塊相連。Motorola MC 145483是一種3V低工作電壓的13位線性PCM濾波編/解碼器【3】。采用2s補償數(shù)據(jù)格式，包含一個片上精確的參考電壓能夠處理語音的數(shù)字化和重組適合同步和異步的應(yīng)用。主機接入的語音數(shù)據(jù)通過音頻接口送給PCM編/解碼器編碼成數(shù)字信號。通過PCM接口傳給藍(lán)牙模塊，藍(lán)牙模塊將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為無線信號發(fā)射出去傳給耳機。按照同樣的原理，藍(lán)牙模塊接收耳機傳來的無線信號并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過PCM接口傳給PCM編/解碼器解碼成語音模擬信號，再傳給主機。

耳機系統(tǒng)的硬件由4部分組成:射頻收發(fā)模塊、編/解碼(CODEC)模塊、聲音輸入輸出模塊。其中射頻收發(fā)模塊nRF9E5中含有微控，其微控內(nèi)部含有256B的數(shù)據(jù)RAM和512B的ROM，用于存儲協(xié)議和無線耳機應(yīng)用程序。nRF9E5有豐富的I/O口，這些I/O口線都支持雙向通訊而且芯片內(nèi)部帶有上拉電阻，按上按鍵后可以直接讀出按鍵被按下的脈沖信號，并由此觸發(fā)中斷處理。編解碼芯片采用M otorola MC 145483，通過 PCM接口與射頻模塊相連。聲音輸入輸出模塊包括麥克風(fēng)和揚聲器。麥克風(fēng)作為語音輸入設(shè)備，把聲波信號轉(zhuǎn)換成模擬信號；揚聲器作為語音輸出設(shè)備，把模擬電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號。

3.     耳機系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過無線耳機，不需使用任何連線就能啟動或結(jié)束通話。電話鈴響后，只需按下耳機上的按鍵就可以接聽電話；撥打電話時，則可在按下耳機上的按鍵后利用聲音進(jìn)行呼叫。

由于整個無線耳機系統(tǒng)為一雙向進(jìn)行的系統(tǒng)，耳機和主機（手機）之間的通信是雙工的，所以在實際系統(tǒng)運行時，數(shù)據(jù)的傳輸方向也是不斷變化的。為此，要實現(xiàn)雙方協(xié)調(diào)通信，就必須設(shè)計出一個比較適合的收發(fā)次序。其耳機收發(fā)流程圖如圖2所示。系統(tǒng)上電后，耳機處于接收狀態(tài)。此時定時器也打開了。在定時時間范圍內(nèi)，耳機不斷處在接收狀態(tài)。當(dāng)超時時，系統(tǒng)進(jìn)入中斷，在中斷中首先要判斷是否有按鍵按下，如果有按鍵動作，則執(zhí)行按鍵程序。在執(zhí)行按鍵程序時，首先要判斷是接電話還是打電話，然后再執(zhí)行相應(yīng)的操作。當(dāng)打電話時，就要開啟發(fā)射機，直到通話結(jié)束；當(dāng)接電話時，則要關(guān)發(fā)射而開啟接收機，直到通話結(jié)束。在通話結(jié)束時，此時須發(fā)一個END命令，然后再回到起始，進(jìn)入待機狀態(tài)。

而語音網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，然后就打開接收機以判斷是否收到有效信號，如果收到要接聽電話的有效信號，此時語音網(wǎng)關(guān)就關(guān)掉接收而打開發(fā)射。數(shù)據(jù)發(fā)送以幀為單位進(jìn)行發(fā)送，每幀包含8位。當(dāng)發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)時 ，進(jìn)入延時，然后打開接收以判斷是否收到耳機發(fā)送過來的END命令，如果沒有收到，表示通話還沒有結(jié)束，此時就關(guān)掉接收機繼續(xù)發(fā)送有用信號，直到收到END命令以回到起始狀態(tài)。其語音網(wǎng)關(guān)收發(fā)程序如圖3所示。

4． 結(jié)束語

基于射頻收發(fā)模塊nRF9E5的無線鼠標(biāo)系統(tǒng)在設(shè)計過程中，充分的考慮了芯片高度集成的優(yōu)點，節(jié)省了像微控、存儲器這樣的外設(shè)，使得設(shè)計的無線耳機便捷簡單，具有優(yōu)良的性能。同時本方案可進(jìn)一步推廣為車載免提等應(yīng)用的參考解決方案。本方案還可應(yīng)用到信息家電、汽車電子等多個領(lǐng)域，可以達(dá)到極大的推廣。

參考文獻(xiàn)：
[1] Nordic VLSI ASA Inc. 433/868/915MHz RF transceiverwith embedded 8051 compatible microcontroller and 4 input, 10 bit ADC[Z]. 2004
[2] 訊通科技.Single chip 433/868/915 MHz Transceiver nRF9E5 [EB/OL]. http://www. freqchina.com /nRF9E5.pdf, 2005.
[3] Moto Company. 3V 13-Bit Linear PCM CODEC-Filter MC145483[EB/OL].http://www. Motorola.com，2004-01-30.