射频NRF9E5与无线耳机系统设计.doc

1、射 频 NRF9E5 与 无 线 耳 机 系 统 设 计2013 年 2 月 25 日 来 源 :大 比 特 半 导 体 器 件 网 通 过 利 用 Nodic 提 供 的 射 频 SoC(片 上 系 统 )nRF9E5 模 块 ， 设 计 了 符 合 耳机 剖 面 的 具 有 良 好 性 能 的 无 线 耳 机 系 统 ， 并 说 明 无 线 收 发 系 统 框 架 、 各 个 组 成 部分 、 工 作 方 式 。在 此 基 础 上 ， 给 出 了 系 统 的 软 硬 件 设 计 以 及 耳 机 系 统 的 通 讯 机 制 和 流 程 。 最后 ， 论 述 了 该 方 案 的 优 点 。本

2、文 所 述 无 线 耳 机 在 设 计 上 有 两 个 特 ： 一 是 印 刷 线 路 板 体 积 一 定 要 小 ;二 是 作 为 电 池 供 电 的 电 子 产 品 ， 一 定 要 求 把 线 路 的 功 耗 设 计 得 非 常 低 。 根 据 以 上第 一 点 原 则 ， 在 设 计 中 一 是 要 尽 可 能 的 采 用 集 成 度 高 的 贴 片 封 装 芯 片 ， 二 是 芯 片的 外 围 元 件 一 定 要 少 ;根 据 第 二 原 则 ， 除 了 采 用 低 功 耗 芯 片 设 计 产 品 外 ， 产 品 中在 守 候 状 态 时 应 使 电 源 间 歇 脉 冲 供 电 。No

3、rdic VLSI 公 司 推 出 的 射 频 收 发 芯 片 nRF9E5 特 别 适 合 我 们 的 要 求 。 该芯 片 内 置 nRF905 433/868/915MHz 收 发 器 、 8051 兼 容 微 控 制 器 和 4 输 入10 位 80 ksps AD 转 换 器 ， 是 真 正 的 系 统 级 芯 片 。 内 置 nRF905 收 发 器 与nRF905 芯 片 的 收 发 器 一 样 ， 可 以 工 作 在 ShockBurstTM(自 动 处 理 前 缀 、 地址 和 CRC)方 式 。 内 置 电 压 调 整 模 块 ， 最 大 限 度 地 抑 制 噪 音 ， 为

4、 系 统 提 供1.9V 到 3.6V 的 工 作 电 压 。 nRF9E5 符 合 美 国 通 信 委 员 会 和 欧 洲 电 信 标 准 学 会的 相 关 标 准 。 由 于 nRF905 功 耗 低 ， 工 作 可 靠 ， 因 此 很 适 用 于 无 线 耳 机 设 计 。1. nRF9E5 功 能 介 绍1. 1 控 制 器nRF9E5 的 片 内 微 控 制 器 与 标 准 8051 兼 容 ， 其 中 断 控 制 器 支 持 5 个扩 展 中 断 源 ： ADC 中 断 、 SPI 中 断 、 RADIO1 中 断 、 RADIO2 中 断 和 唤 醒定 时 器 中 断 。 片 内

5、 控 制 器 还 有 3 个 与 8052 相 同 的 定 时 器 。 1 个 和 8051相 同 的 串 口 ， 可 以 用 定 时 器 1 和 定 时 器 2 来 作 为 异 步 通 信 的 波 特 率 产 生 器 。此 外 ， 还 扩 展 了 2 个 数 据 指 针 ， 以 方 便 于 从 XRAM 区 读 取 数 据 。 微 处理 器 中 有 256B 的 数 据 RAM 和 512B 的 ROM。 上 电 复 位 或 软 件 复 位 后 ， 处 理 器 自 动 执 行 ROM 引 导 区 中 的 代 码 。 用 户 程 序 通 常 是 在 引 导 区 的 引 导 下 ， 从 EEPR

6、OM 加 载 到 1 个 4KB 的 RAM 中 ， 这 个 4KB 的 RAM 也 可 作 存 储数 据 用 。微 控 中 还 包 含 SPI 接 口 ， 引 脚 有 MISO( 接 收 EEPROM 的 SDO 送 来 的数 据 ) 、 S C K (给 EEPROM 的 SCK 提 供 时 钟 信 号 )、 MOSI(送 数 据 到EEPROM 的 SDI)、 EECSN(给 EEPROM 的 CSN 送 使 能 信 号 ) 。 SPI 口 的MISO 、 SCK 和 MOSI 与 P1 口 的 低 3 位 重 用 ， 通 过 寄 存 器 SPI_CTRL 控 制 来 控 制 功 能 间

7、 的 撤 换 。 S P I 硬 件 不 产 生 任 何 片 选 信 号 ， 可 以 用 GPIO 口 来 进 行 片 选 。 通 常 ， 系 统 上 电 时 ， SPI 自 动 和 片 外 25320 相 连 。 当 程 序加 载 完 成 后 ， MISO(P1.2)、 MOSI(P1.0)和 SCK(P1.0)可 能 会 用 作 其 它 用 途 ，比 如 其 它 的 SPI 器 件 或 GPIO。 这 使 得 nRF9E5 其 内 置 的 微 控 制 器 的 功 能 十分 强 大 。1.2 射 频 收 发 器nRF9E5 收 发 器 通 过 内 部 并 行 口 或 内 部 SPI 口 与

8、其 它 模 块 进 行 通 信 ， 具有 同 单 片 射 频 收 发 器 nRF905 相 同 的 功 能 。 收 发 器 通 过 片 内 MCU 的 并 行口 或 S P I 口 与 微 控 制 器 通 信 ， 数 据 准 备 好 ， 载 波 检 测 和 地 址 匹 配 信 号 能 够作 为 微 控 制 器 和 中 断 。 nRF9E5 工 作 于 433/868/915MHz ISM 频 段 。 收 发器 由 1 个 完 整 的 频 率 合 成 器 、 1 个 功 率 放 大 器 、 1 个 调 节 器 和 2 个 接 收器 组 成 。 输 出 功 率 、 频 道 和 其 它 射 频 参

9、数 可 通 过 对 特 殊 功 能 寄 存 器RADIO(0xA0) 编 程 进 行 控 制 。 发 射 模 式 下 ， 射 频 电 流 消 耗 为 11mA， 接 收模 式 下 为 12.5mA。 为 了 节 能 ， 可 通 过 程 序 控 制 收 发 器 的 开 / 关 。1.2.1 nRF9E5 收 发 方 式 的 选 择与 nRF401 和 nRF903 不 同 的 是 ， nRF9E5 使 用 SPI 接 口 进 行 单 片 机 与无 线 模 块 间 的 数 据 传 输 。 这 部 分 在 nRF9E5 片 内 的 8051 内 核 与 nRF905 射 频 收 发 器 之 间 完

10、成 。 nRF9E5 的 收 发 器 有 三 种 工 作 方 式 ， ShockBurst 接收 (RX)方 式 、 ShockBurst 发 送 (TX)方 式 和 空 闲 方 式 。 当 收 发 器 在 空 闲 方 式 下 ，微 控 器 依 然 在 运 行 。 nRF9E5 收 发 器 的 工 作 方 式 由 特 殊 功 能 寄 存 器 T R X _ C E 和 TX_EN 决 定 ， 具 体 见 表 1 所 列 。表 1 nRF9E5 工 作 模 式nRF9E5 使 用 Nordic VLSI 公 司 的 ShockBurst 的 特 性 ， 进 行 高 速 的 数据 传 输 。 与

11、射 频 数 据 相 关 的 协 议 由 nRF9E5 片 内 的 nRF905 收 发 器 自 动 处理 。 nRF9E5 只 用 简 单 的 SPI 接 口 便 能 和 nRF905 进 行 数 据 传 输 ， 数 据 传 输的 速 度 取 决 于 SPI 接 口 的 速 度 ， 这 个 可 以 在 nRF9E5 片 内 8051 内 核 中 进行 配 置 。 ShockBurst 实 现 低 速 数 据 输 入 ， 高 速 数 据 输 出 ， 从 而 降 低 了 系 统 的 平均 能 耗 。在 ShockBurst 接 收 方 式 下 ， 当 收 到 一 个 有 效 地 址 的 射 频 数

12、 据 包 时 ， 地 址 匹 配 寄 存 器 位 (AM)和 数 据 准 备 好 寄 存 器 位 (DR)通 知 片 内 MCU 把 数 据读 出 。 在 ShockBurst 发 送 方 式 下 ， nRF9E5 自 动 给 要 发 送 的 数 据 加 上 前 缀和 C R C 校 验 。 当 数 据 发 送 完 后 ， 数 据 准 备 好 寄 存 器 位 ( D R )会 通 知MCU 数 据 已 经 处 理 完 毕 。 当 系 统 没 有 发 送 和 接 收 任 务 时 ， 其 进 入 空 闲 方式 。 nRF9E5 在 空 闲 方 式 下 ， 一 旦 有 任 务 要 处 理 时 ， 其

13、 能 够 在 很 短 的 时 间 内 就 进入 ShockBurst 接 收 方 式 和 ShockBurst 发 送 方 式 。 空 闲 方 式 下 ， 晶 体 振 荡器 依 然 工 作 ， 配 置 字 中 的 内 容 不 至 于 丢 失 。1.2.2 nRF9E5 收 发 时 的 载 波 检 测 功 能对 于 nRF9E5 而 言 ， 其 最 大 的 优 点 是 具 有 载 波 检 测 功 能 。 在ShockBurst 接 收 方 式 下 ， 当 出 现 nRF9E5 工 作 信 道 内 的 射 频 载 波 时 ， 载 波 检测 引 脚 (CD)被 置 高 ， 这 个 特 性 很 好 的

14、 避 免 了 同 一 工 作 频 率 下 不 同 发 射 器 数 据包 之 间 的 碰 撞 ， 有 效 的 防 止 了 信 号 的 干 扰 。 当 收 发 器 准 备 发 射 数 据 时 ， 它 首 先 进 入 接 收 方 式 并 探 测 所 工 作 的 信 道 是 否 空 闲 。 载 波 检 测 的 标 准 一 般 比 灵 敏度 低 5 dB， 比 如 ， 灵 敏 度 为 -100 dBm， 载 波 检 测 功 能 探 测 低 至 -105 dBm 的 载 波 。 也 就 是 说 ， 载 波 低 于 -105 dBm， 载 波 检 测 信 号 为 低 (一 般 为 0)，高 于 -95 dB

15、m， 则 载 波 检 测 信 号 为 高 (一 般 为 VDD)， 介 于 -10595 dBm 之间 ， 载 波 检 测 信 号 可 能 为 低 也 可 能 为 高 。2.无 线 耳 机 系 统 硬 件 设 计图 1 无 线 耳 机 硬 件 设 计 原 理 图无 线 耳 机 硬 件 设 计 原 理 图 如 图 1 所 示 。 整 个 系 统 包 含 两 部 分 ， 无 线 耳 机 和语 音 网 关 。 语 音 网 关 的 硬 件 组 成 分 为 主 机 (PC 或 者 是 手 机 )、 射 频 收 发 模 块和 编 /解 码 (conFc)模 块 。 nRF9E5 的 外 围 元 件 很 少

16、 ， 仅 10 个 左 右 。 只 包 括 一个 4MHz 基 准 晶 振 (可 与 MCU 共 享 )、 一 个 PLL 环 路 滤 波 器 和 一 个 VCO 电感 ， 收 发 天 线 合 一 ， 没 有 调 试 部 件 ， 这 给 研 制 及 生 产 带 来 了 极 大 的 方 便 。编 /解 码 模 块 采 用 M otorola MC 145483 通 过 PCM 接 口 与 射 频 模 块 相 连 。Motorola MC 145483 是 一 种 3V 低 工 作 电 压 的 13 位 线 性 PCM 滤 波 编/*。 采 用 2s 补 偿 数 据 格 式 ， 包 含 一 个 片

17、 上 精 确 的 参 考 电 压 能 够 处 理 语 音 的 数字 化 和 重 组 适 合 同 步 和 异 步 的 应 用 。 主 机 接 入 的 语 音 数 据 通 过 音 频 接 口 送 给 PCM编 /*编 码 成 数 字 信 号 。 通 过 PCM 接 口 传 给 蓝 牙 模 块 ， 蓝 牙 模 块 将 数 字 信 号转 换 为 无 线 信 号 发 射 出 去 传 给 耳 机 。 按 照 同 样 的 原 理 ， 蓝 牙 模 块 接 收 耳 机 传 来 的无 线 信 号 并 将 其 转 换 成 数 字 信 号 通 过 PCM 接 口 传 给 PCM 编 /*解 码 成 语音 模 拟 信

18、号 ， 再 传 给 主 机 。耳 机 系 统 的 硬 件 由 4 部 分 组 成 :射 频 收 发 模 块 、 编 /解 码 (CODEC)模 块 、声 音 输 入 输 出 模 块 。 其 中 射 频 收 发 模 块 nRF9E5 中 含 有 微 控 ， 其 微 控 内 部 含有 256B 的 数 据 RAM 和 512B 的 ROM， 用 于 存 储 协 议 和 无 线 耳 机 应 用 程 序 。nRF9E5 有 丰 富 的 I/O 口 ， 这 些 I/O 口 线 都 支 持 双 向 通 讯 而 且 芯 片 内 部 带 有 上拉 电 阻 ， 按 上 按 键 后 可 以 直 接 读 出 按 键

19、 被 按 下 的 脉 冲 信 号 ， 并 由 此 触 发 中 断 处 理 。编 解 码 芯 片 采 用 M otorola MC 145483， 通 过 PCM 接 口 与 射 频 模 块 相 连 。 声音 输 入 输 出 模 块 包 括 麦 克 风 和 扬 声 器 。 麦 克 风 作 为 语 音 输 入 设 备 ， 把 声 波 信 号 转换 成 模 拟 信 号 ;扬 声 器 作 为 语 音 输 出 设 备 ， 把 模 拟 电 信 号 转 换 成 声 波 信 号 。3. 耳 机 系 统 软 件 设 计通 过 无 线 耳 机 ， 不 需 使 用 任 何 连 线 就 能 启 动 或 结 束 通 话

20、 。 电 话 铃 响 后 ， 只 需按 下 耳 机 上 的 按 键 就 可 以 接 听 电 话 ;拨 打 电 话 时 ， 则 可 在 按 下 耳 机 上 的 按 键 后利 用 声 音 进 行 呼 叫 。由 于 整 个 无 线 耳 机 系 统 为 一 双 向 进 行 的 系 统 ， 耳 机 和 主 机 (手 机 )之 间的 通 信 是 双 工 的 ， 所 以 在 实 际 系 统 运 行 时 ， 数 据 的 传 输 方 向 也 是 不 断 变 化 的 。 为此 ， 要 实 现 双 方 协 调 通 信 ， 就 必 须 设 计 出 一 个 比 较 适 合 的 收 发 次 序 。 其 耳 机 收 发流

21、程 图 如 图 2 所 示 。 系 统 上 电 后 ， 耳 机 处 于 接 收 状 态 。 此 时 定 时 器 也 打 开 了 。在 定 时 时 间 范 围 内 ， 耳 机 不 断 处 在 接 收 状 态 。 当 超 时 时 ， 系 统 进 入 中 断 ， 在 中 断中 首 先 要 判 断 是 否 有 按 键 按 下 ， 如 果 有 按 键 动 作 ， 则 执 行 按 键 程 序 。 在 执 行 按 键程 序 时 ， 首 先 要 判 断 是 接 电 话 还 是 打 电 话 ， 然 后 再 执 行 相 应 的 操 作 。 当 打 电 话 时 ，就 要 开 启 发 射 机 ， 直 到 通 话 结

22、束 ;当 接 电 话 时 ， 则 要 关 发 射 而 开 启 接 收 机 ， 直到 通 话 结 束 。 在 通 话 结 束 时 ， 此 时 须 发 一 个 END 命 令 ， 然 后 再 回 到 起 始 ，进 入 待 机 状 态 。而 语 音 网 关 在 系 统 上 电 后 ， 首 先 进 行 初 始 化 ， 然 后 就 打 开 接 收 机 以 判 断 是 否收 到 有 效 信 号 ， 如 果 收 到 要 接 听 电 话 的 有 效 信 号 ， 此 时 语 音 网 关 就 关 掉 接 收 而 打开 发 射 。 数 据 发 送 以 帧 为 单 位 进 行 发 送 ， 每 帧 包 含 8 位 。

23、当 发 送 完 一 帧 数 据时 ， 进 入 延 时 ， 然 后 打 开 接 收 以 判 断 是 否 收 到 耳 机 发 送 过 来 的 END 命 令 ，如 果 没 有 收 到 ， 表 示 通 话 还 没 有 结 束 ， 此 时 就 关 掉 接 收 机 继 续 发 送 有 用 信 号 ， 直到 收 到 END 命 令 以 回 到 起 始 状 态 。 其 语 音 网 关 收 发 程 序 如 图 3 所 示 。4. 结 束 语基 于 射 频 收 发 模 块 nRF9E5 的 无 线 鼠 标 系 统 在 设 计 过 程 中 ， 充 分 的 考 虑 了芯 片 高 度 集 成 的 优 点 ， 节 省 了 像 微 控 、 存 储 器 这 样 的 外 设 ， 使 得 设 计 的 无 线 耳 机便 捷 简 单 ， 具 有 优 良 的 性 能 。 同 时 本 方 案 可 进 一 步 推 广 为 车 载 免 提 等 应 用 的 参 考解 决 方 案 。 本 方 案 还 可 应 用 到 信 息 家 电 、 汽 车 电 子 等 多 个 领 域 ， 可 以 达 到 极 大 的推 广 。