射頻nRF9E5與無線耳機系統設計

本文所述無線耳機在設計上有兩個特：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品,一定要求把線路的功耗設計得非常低。根據以上第一點原則,在設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;根據第二原則,除了采用低功耗芯片設計產品外,產品中在守候狀態時應使電源間歇脈沖供電。nordic vlsi公司推出的射頻收發芯片nrf9e5特別適合我們的要求。該芯片內置nrf905433/868/915mhz收發器、8051兼容微控制器和4輸入10位80 ksps ad轉換器,是真正的系統級芯片。內置nrf905收發器與nrf905芯片的收發器一樣,可以工作在shockbursttm(自動處理前綴、地址和crc)方式。內置電壓調整模塊,最大限度地抑制噪音,為系統提供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標準。由于nrf905功耗低,工作可靠,因此很適用于無線耳機設計。

1．nrf9e5功能介紹

1.1 控制器【1】

nrf9e5的片內微控制器與標準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生器。此外,還擴展了2個數據指針,以方便于從xram區讀取數據。微處理器中有256b的數據ram和512b的rom。上電復位或軟件復位后,處理器自動執行rom引導區中的代碼。用戶程序通常是在引導區的引導下,從eeprom加載到1個4kb的ram中,這個4kb的ram也可作存儲數據用。

微控中還包含spi接口,引腳有miso(接收eeprom的sdo送來的數據)、sck(給eeprom的sck提供時鐘信號)、mosi(送數據到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硬件不產生任何片選信號,可以用gpio口來進行片選。通常,系統上電時,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其內置的微控制器的功能十分強大。

1．2 射頻收發器【2】

nrf9e5收發器通過內部并行口或內部spi 口與其它模塊進行通信,具有同單片射頻收發器nrf905相同的功能。收發器通過片內mcu的并行口或spi口與微控制器通信,數據準備好,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。收發器由1個完整的頻率合成器、1個功率放大器、1個調節器和2個接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數可通過對特殊功能寄存器radio(0xa0) 編程進行控制。發射模式下,射頻電流消耗為11ma,接收模式下為12.5ma。為了節能,可通過程序控制收發器的開/ 關。

1.2.1 nrf9e5收發方式的選擇

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據傳輸。這部分在nrf9e5片內的8051內核與nrf905射頻收發器之間完成。nrf9e5的收發器有三種工作方式,shockburst接收(rx)方式、shockburst發送(tx)方式和空閑方式。當收發器在空閑方式下,微控器依然在運行。nrf9e5收發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,進行高速的數據傳輸。與射頻數據相關的協議由nrf9e5 片內的nrf905收發器自動處理。nrf9e5只用簡單的spi接口便能和nrf905進行數據傳輸,數據傳輸的速度取決于spi接口的速度,這個可以在nrf9e5片內8051內核中進行配置。shockburst實現低速數據輸入,高速數據輸出,從而降低了系統的平均能耗。在shockburst接收方式下,當收到一個有效地址的射頻數據包時,地址匹配寄存器位(am)和數據準備好寄存器位(dr)通知片內mcu 把數據讀出。在shockburst發送方式下,nrf9e5自動給要發送的數據加上前綴和crc校驗。當數據發送完后,數據準備好寄存器位(dr)會通知mcu數據已經處理完畢。當系統沒有發送和接收任務時,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就進入shockburst接收方式和shockburst發送方式。空閑方式下,晶體振蕩器依然工作,配置字中的內容不至于丟失。

1.2.2 nrf9e5收發時的載波檢測功能

對于nrf9e5而言,其最大的優點是具有載波檢測功能。在shockburst接收方式下,當出現nrf9e5 工作信道內的射頻載波時,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射器數據包之間的碰撞,有效的防止了信號的干擾。當收發器準備發射數據時, 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．無線耳機系統硬件設計

圖1 無線耳機硬件設計原理圖

無線耳機硬件設計原理圖如圖1所示。整個系統包含兩部分,無線耳機和語音網關。語音網關的硬件組成分為主機(pc或者是手機)、射頻收發模塊和編/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環路濾波器和一個vco電感,收發天線合一,沒有調試部件,這給研制及生產帶來了極大的方便。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補償數據格式,包含一個片上精確的參考電壓能夠處理語音的數字化和重組適合同步和異步的應用。主機接入的語音數據通過音頻接口送給pcm編/解碼器編碼成數字信號。通過pcm接口傳給藍牙模塊,藍牙模塊將數字信號轉換為無線信號發射出去傳給耳機。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換成數字信號通過pcm接口傳給pcm編/解碼器解碼成語音模擬信號,再傳給主機。

耳機系統的硬件由4部分組成:射頻收發模塊、編/解碼(codec)模塊、聲音輸入輸出模塊。其中射頻收發模塊nrf9e5中含有微控,其微控內部含有256b的數據ram和512b的rom,用于存儲協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備,把聲波信號轉換成模擬信號;揚聲器作為語音輸出設備,把模擬電信號轉換成聲波信號。

3. 耳機系統軟件設計

通過無線耳機,不需使用任何連線就能啟動或結束通話。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為一雙向進行的系統,耳機和主機（手機）之間的通信是雙工的,所以在實際系統運行時,數據的傳輸方向也是不斷變化的。為此,要實現雙方協調通信,就必須設計出一個比較適合的收發次序。其耳機收發流程圖如圖2所示。系統上電后,耳機處于接收狀態。此時定時器也打開了。在定時時間范圍內,耳機不斷處在接收狀態。當超時時,系統進入中斷,在中斷中首先要判斷是否有按鍵按下,如果有按鍵動作,則執行按鍵程序。在執行按鍵程序時,首先要判斷是接電話還是打電話,然后再執行相應的操作。當打電話時,就要開啟發射機,直到通話結束;當接電話時,則要關發射而開啟接收機,直到通話結束。在通話結束時,此時須發一個end命令,然后再回到起始,進入待機狀態。

圖2 耳機系統收發程序框圖

而語音網關在系統上電后,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,此時語音網關就關掉接收而打開發射。數據發送以幀為單位進行發送,每幀包含8位。當發送完一幀數據時 ,進入延時,然后打開接收以判斷是否收到耳機發送過來的end命令,如果沒有收到,表示通話還沒有結束,此時就關掉接收機繼續發送有用信號,直到收到end命令以回到起始狀態。其語音網關收發程序如圖3所示。

4．結束語

基于射頻收發模塊nrf9e5的無線鼠標系統在設計過程中,充分的考慮了芯片高度集成的優點,節省了像微控、存儲器這樣的外設,使得設計的無線耳機便捷簡單,具有優良的性能。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、汽車電子等多個領域,可以達到極大的推廣。