射頻nRF9E5與無線耳機系統(tǒng)設(shè)計

本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小;二是作為電池供電的電子產(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nrf905433/868/915mhz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準學會的相關(guān)標準。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)微控制器與標準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。上電復位或軟件復位后,處理器自動執(zhí)行rom引導區(qū)中的代碼。用戶程序通常是在引導區(qū)的引導下,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))、sck(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。spi硬件不產(chǎn)生任何片選信號,可以用gpio口來進行片選。通常,系統(tǒng)上電時,spi自動和片外25320相連。當程序加載完成后,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spi口與微控制器通信,數(shù)據(jù)準備好,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trx_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crc校驗。當數(shù)據(jù)發(fā)送完后,數(shù)據(jù)準備好寄存器位(dr)會通知mcu數(shù)據(jù)已經(jīng)處理完畢。當系統(tǒng)沒有發(fā)送和接收任務時,其進入空閑方式。nrf9e5在空閑方式下,一旦有任務要處理時,其能夠在很短的時間內(nèi)就進入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。當收發(fā)器準備發(fā)射數(shù)據(jù)時, 它首先進入接收方式并探測所工作的信道是否空閑。載波檢測的標準一般比靈敏度低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接口傳給藍牙模塊,藍牙模塊將數(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和揚聲器。麥克風作為語音輸入設(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行呼叫。

由于整個無線耳機系統(tǒng)為一雙向進行的系統(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)。當超時時,系統(tǒng)進入中斷,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)行相應的操作。當打電話時,就要開啟發(fā)射機,直到通話結(jié)束;當接電話時,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,進入待機狀態(tài)。

圖2 耳機系統(tǒng)收發(fā)程序框圖

而語音網(wǎng)關(guān)在系統(tǒng)上電后,首先進行初始化,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)送以幀為單位進行發(fā)送,每幀包含8位。當發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)時 ,進入延時,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。同時本方案可進一步推廣為車載免提等應用的參考解決方案。本方案還可應用到信息家電、汽車電子等多個領(lǐng)域,可以達到極大的推廣。