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本文所述無(wú)線(xiàn)耳機在設計上有兩個(gè)特：一是印刷線(xiàn)路板體積一定要��；二是作為電池供電的電子產(chǎn)品，一定要求把線(xiàn)路的功耗設計得非常低。根據以上第一點(diǎn)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(chǎn)品外，產(chǎn)品中在守候狀態(tài)時(shí)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轉換器，是真正的系統級芯片。內置nRF905收發(fā)器與nRF905 芯片的收發(fā)器一樣，可以工作在ShockBurstTM(自動(dòng)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(huì )和歐洲電信標準學(xué)會(huì )的相關(guān)標準。由于nRF905功耗低，工作可靠，因此很適用于無(wú)線(xiàn)耳機設計。 1 nRF9E5功能介紹 1．1 控制器 nRF9E5 的片內微控制器與標準8051 兼容，其中斷控制器支持5 個(gè)擴展中斷源：ADC 中斷、SPI 中斷、RADIO1中斷、RADIO2 中斷和喚醒定時(shí)器中斷。片內控制器還有3 個(gè)與8052 相同的定時(shí)器。1 個(gè)和8051相同的串口，可以用定時(shí)器1 和定時(shí)器2 來(lái)作為異步通信的波特率產(chǎn)生器。此外， 還擴展了2 個(gè)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(dòng)執行ROM引導區中的代碼。用戶(hù)程序通常是在引導區的引導下， 從EEPROM加載到1個(gè)4KB的RAM中， 這個(gè)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(lái)的數據) 、S C K (給EEPROM的SCK提供時(shí)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(guò)寄存器SPI_CTRL 控制來(lái)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(lái)進(jìn)行片選。通常，系統上電時(shí)，SPI 自動(dòng)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(huì )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(fā)器 nRF9E5 收發(fā)器通過(guò)內部并行口或內部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(guò)片內MCU的并行口或S P I 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(fā)器由1 個(gè)完整的頻率合成器、1 個(gè)功率放大器、1 個(gè)調節器和2 個(gè)接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數可通過(guò)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。為了節能， 可通過(guò)程序控制收發(fā)器的開(kāi)/ 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(wú)線(xiàn)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(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T R X _ C E和TX_EN 決定，具體見(jiàn)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)行高速的數據傳輸。與射頻數據相關(guān)的協(xié)議由nRF9E5 片內的nRF905 收發(fā)器自動(dòng)處理。nRF9E5 只用簡(jiǎn)單的SPI 接口便能和nRF905 進(jìn)行數據傳輸，數據傳輸的速度取決于SPI 接口的速度，這個(gè)可以在nRF9E5 片內8051內核中進(jìn)行配置。ShockBurst 實(shí)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(gè)有效地址的射頻數據包時(shí)， 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(fā)送方式下，nRF9E5自動(dòng)給要發(fā)送的數據加上前綴和C R C 校驗。當數據發(fā)送完后，數據準備好寄存器位( D R )會(huì )通知MCU 數據已經(jīng)處理完畢。當系統沒(méi)有發(fā)送和接收任務(wù)時(shí)， 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(shí)，其能夠在很短的時(shí)間內就進(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，配置字中的內容不至于丟失。 1.2.2 nRF9E5收發(fā)時(shí)的載波檢測功能 對于nRF9E5而言，其最大的優(yōu)點(diǎn)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(shí)，載波檢測引腳(CD)被置高， 這個(gè)特性很好的避免了同一工作頻率下不同發(fā)射器數據包之間的碰撞，有效的防止了信號的干擾。當收發(fā)器準備發(fā)射數據時(shí)， 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(shuō)，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(wú)線(xiàn)耳機系統硬件設計 無(wú)線(xiàn)耳機硬件設計原理圖如圖1所示。整個(gè)系統包含兩部分，無(wú)線(xiàn)耳機和語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)。語(yǔ)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(gè)左右。只包括一個(gè)4MHz基準晶振(可與MCU共享)、一個(gè)PLL環(huán)路濾波器和一個(gè)VCO電感，收發(fā)天線(xiàn)合一，沒(méi)有調試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來(lái)了極大的方便。編/解碼模塊采用M otorola MC 145483通過(guò) 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(xiàn)性PCM濾波編/解碼器。采用2s補償數據格式，包含一個(gè)片上精確的參考電壓能夠處理語(yǔ)音的數字化和重組適合同步和異步的應用。主機接入的語(yǔ)音數據通過(guò)音頻接口送給PCM編/解碼器編碼成數字信號。通過(guò)PCM接口傳給藍牙模塊，藍牙模塊將數字信號轉換為無(wú)線(xiàn)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(lái)的無(wú)線(xiàn)信號并將其轉換成數字信號通過(guò)PCM接口傳給PCM編/解碼器解碼成語(yǔ)音模擬信號，再傳給主機。 圖1 無(wú)線(xiàn)耳機硬件設計原理圖 耳機系統的硬件由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，其微控內部含有256B的數據RAM和512B的ROM，用于存儲協(xié)議和無(wú)線(xiàn)耳機應用程序。nRF9E5有豐富的I/O口，這些I/O口線(xiàn)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(fā)中斷處理。編解碼芯片采用M otorola MC 145483，通過(guò) 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(yǔ)音輸入設備，把聲波信號轉換成模擬信號；揚聲器作為語(yǔ)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(guò)無(wú)線(xiàn)耳機，不需使用任何連線(xiàn)就能啟動(dòng)或結束通話(huà)。電話(huà)鈴響后，只需按下耳機上的按鍵就可以接聽(tīng)電話(huà)；撥打電話(huà)時(shí)，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(gè)無(wú)線(xiàn)耳機系統為一雙向進(jìn)行的系統，耳機和主機（手機）之間的通信是雙工的，所以在實(shí)際系統運行時(shí)，數據的傳輸方向也是不斷變化的。為此，要實(shí)現雙方協(xié)調通信，就必須設計出一個(gè)比較適合的收發(fā)次序。其耳機收發(fā)流程圖如圖2所示。系統上電后，耳機處于接收狀態(tài)。此時(shí)定時(shí)器也打開(kāi)了。在定時(shí)時(shí)間范圍內，耳機不斷處在接收狀態(tài)。當超時(shí)時(shí)，系統進(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(dòng)作，則執行按鍵程序。在執行按鍵程序時(shí)，首先要判斷是接電話(huà)還是打電話(huà)，然后再執行相應的操作。當打電話(huà)時(shí)，就要開(kāi)啟發(fā)射機，直到通話(huà)結束；當接電話(huà)時(shí)，則要關(guān)發(fā)射而開(kāi)啟接收機，直到通話(huà)結束。在通話(huà)結束時(shí)，此時(shí)須發(fā)一個(gè)END命令，然后再回到起始，進(jìn)入待機狀態(tài)。 而語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)在系統上電后，首先進(jìn)行初始化，然后就打開(kāi)接收機以判斷是否收到有效信號，如果收到要接聽(tīng)電話(huà)的有效信號，此時(shí)語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)就關(guān)掉接收而打開(kāi)發(fā)射。數據發(fā)送以幀為單位進(jìn)行發(fā)送，每幀包含8位。當發(fā)送完一幀數據時(shí) ，進(jìn)入延時(shí)，然后打開(kāi)接收以判斷是否收到耳機發(fā)送過(guò)來(lái)的END命令，如果沒(méi)有收到，表示通話(huà)還沒(méi)有結束，此時(shí)就關(guān)掉接收機繼續發(fā)送有用信號，直到收到END命令以回到起始狀態(tài)。其語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)收發(fā)程序如圖3所示。 4．結束語(yǔ) 基于射頻收發(fā)模塊nRF9E5的無(wú)線(xiàn)鼠標系統在設計過(guò)程中，充分的考慮了芯片高度集成的優(yōu)點(diǎn)，節省了像微控、存儲器這樣的外設，使得設計的無(wú)線(xiàn)耳機便捷簡(jiǎn)單，具有優(yōu)良的性能。同時(shí)本方案可進(jìn)一步推廣為車(chē)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(chē)電子等多個(gè)領(lǐng)域，可以達到極大的推廣。 |
