射频NRF9E5与无线耳机系统设计.doc

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。
Nordic 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EEPROM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 dBm，则载波检测信号为高(一般为VDD)，介于-105~95 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，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。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。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。