基于NRF24Z1的数字无线话筒设计.docx

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基于NRF24Z1的数字无线话筒设计

摘要

无线数字音频传输技术是指利用无线电波作为数据传输的媒介，一切以数字化音频为处理对象的操作技术。

它是利用将语音信息调制到载波频率上发射，实现发送端与接收端的通信。

其涉及到模拟电子技术、信息技术、以及网络技术等多个学科领域。

也通过无线音频传输系统，简单控制远端设备的运行情况以及实现两端之间的语音传输。

随着无线音频技术越来越成熟，越来越多的公共场合如大型会议室、教室等程系统采用了此技术。

与有线音频传输相比，无线音频传输具有成本低、安装简便、便于移动等优点。

本次所设计的数字无线话筒以低成本、设计结构简单为目标，对目前的射频芯片、音频芯片和微控制器进行筛选比较，以低功耗为首选，给出基于nRF24Z1数字无线话筒的硬件结构及软件实现方法。

关键词：

nRF24Z1，短距离通信，无线传输，数字音频

designofthedigitalwirelessmicrophonesBasedonnRF24Z1

Author:

WuZongLing

Tutor:

WangZhaoPing

Abstract

Wirelessdigitalaudiotransmissiontechnologyistheuseofradioasamediumfordatatransmission,allindigitalaudiotechnologytodealwithobjectmanipulation.Itistheuseofthevoicemessagetothecarrierfrequencymodulatedtransmitter,thetransmitterandreceivertoachievecommunication.Itrelatestotheanalogelectronics,informationtechnology,andnetworktechnologyandotherdisciplines.Alsothroughwirelessaudiotransmissionsystem,asimpleremotecontroloperationofdevicesandtherealizationofvoicetransmissionbetweenthetwoends.Aswirelessaudiotechnologybecomesmoremature,moreandmorepublicplacessuchaslargemeetingrooms,classroomsandotherprocesssystemusingthistechnique.Comparedwithwiredaudiotransmission,wirelessaudiotransmissionwithlowcost,easytoinstall,easytomoveandsoon.

Thedigitalwirelessmicrophonedesignedisforlowcost,simpledesigngoalofthecurrentradiofrequencychips,audiochipsandmicrocontrollerswerescreenedcomparedtothepreferredlowpowerconsumptionisgivenbasedondigitalwirelessmicrophonehardwarenRF24Z1Structureandsoftwareimplementation..

Keywords:

nRF24Z1Short-distancecommunicationWirelessDigitalAudio

1.绪论

随着计算机网络通信技术的迅猛发展，无线音频传输技术应运而生，其应用也越来越被各行各业所接受。

其设备安装方便、灵活性强、性价比高等特性使得更多行业的系统采用无线传输方式，建立发送端与接收端之间的连接。

目前无线音频传输系统己经引起了学术界和工业界的高度重视，成为计算机科学领域、工业通信领域一个活跃的研究分支，被认为是对最近几年内产生巨大影响力的技术之一。

无线音频传输系统具有双重功效，既能实现语音传输又能实现简单的控制作业，而且具有无线传输的可移动性，无线连接，远程传输等其自身的优势。

随之应运而生的无线音频传输设备有很多，而且技术已经比较成熟，相信在未来几年内，在短距离无线音频传输领域有很大发展空间。

1.1研究课题的现状与前景

伴随着无线通信技术的飞速发展，生活当中人们对无线音频传输技术的要求越来越高。

人们注意到在同一幢楼内或在相距咫尺的地方，同样也需要无线通信。

而短距离无线音频传输技术可以满足人们对低价位、低功耗、可替代电缆的无线数据和语音链路的需求。

目前，无线音频传输技术以其快捷方便，可以移动等特性，也受到人们的高度关注，得以快速发展。

当然，人们对于它的要求也越来越高，积极跟踪分析各种无线通信技术具有紧迫的现实意义，本课题就是在这样的背景下提出来的。

短距离无线音频通信系统彻底摆脱了电线的束缚，在指挥调度、安全保卫、多媒体教学、休闲娱乐等诸多领域有着广阔的市场前景。

此系统的特点是其综合了语音处理和无线通信等技术，体积小，功耗低，有着较高的语音质量和较低的成本以及较远的传输距离。

1.2此次课题研究的内容

当前，随着居住和办公环境空间的增长，音频的布线在大型会议室、教室等场所越来越难以实现，成本越来越高，迫切需要无线传输高质量的音频。

所以本系统使用了专用的ISM音频无线收发芯片nRF24Z1。

nRF24Z1提供了标准的工业音频接口以及数字音频接口，使得音频的传输成本大大降低，而且通信速率高达4Mbps，实际数据传输率为1.536Mbps，保证了48kbps采样率16bit采样的音频无损、抗干扰传输，最大限度的抑制了噪声的干扰。

实际上nRF24Z1还提供了控制信息（如音量、平衡、显示等）双向传输的功能，是一个实用、性能、成本相结合的数字音频芯片。

本次课题就是利用nRF24Z1芯片设计数字无线话筒，实现芯片各种结构功能，进而实现短距离的无线数据传输。

在设计过程中，研究了短距离无线传输的工作原理及实现方法、对方案论述的可行性，详细介绍了所设计数字无线话筒中各模块的组成、原理及具体的电路及软件流程，最后完成了对数字无线话筒的硬件和软件设计、对软硬件的调试和系统性能测试。

2.短距离无线语音传输系统简介

2.1短距离无线语音传输系统原理

短距离无线传输系统系统总体可以分为CPU主控模块、音频CODEC模块、无线射频模块和AES数字音频接收模块四部分。

工作在数据发送状态时，先由拾音设备将模拟音频信号送给设计应用芯片，进行A/D转换，经48k采样，16bit量化后得到数据率为768kbps的单声道高保真语音信号数据流。

数据流再经由CPU串口高速传送到其内部RAM，由CPU进行以下一系列处理：

首先将数据打包、加帧头、加校验码和填充数据以构成传输帧，而后将数据发送至无线传输模块，以1Mbps的数据率，在2.4GHz的频段上以GFSK方式调制后进行无线发射。

工作在数据接收状态时，CPU首先从无线传输模块接收到的数据流中寻找帧头，在固定帧间隔处连续找到三次帧头来确认双方建立帧同步。

同步确立后CPU把数据和帧同步信号传送给内部完成去帧头、解包和校验的工作。

最终把接收到的数据流发给主芯片，回放出清晰的语音。

2.2研究短距离无线语音传输的意义

当前，固定区域以及模糊不清的语音通信通信已经不能满足人们日常生活的需求，而是希望能在指定的区域内随时随地进行清晰的语音交流，特别是对短距离内的高质量的无线语音通信更为迫切。

在这种状况下，对短距离无线音频传输技术进行研究更能体现其研究的价值。

建立无线音频传输系统的模型对其进行分析，给出系统的结构流程图，在此基础上进行开发设计相对应的无线语音产品具有很高的市场潜力和发展空间。

鉴于这种情况，对目前的射频芯片、音频芯片和微控制器进行筛选比较，以低功耗为首选。

以低成本、结构设计简单为目标，选择合适的芯片，给出最佳的设计方案。

本课题研究基于nRF24Z1射频芯片为核心的数字音频传输系统的硬件、软件构是研究短距离无线传输实际意义的体现。

3.nRF24Z1芯片功能结构

3.1无线音频系统

nRF24Z1能够以高达1.54Mbit/s的速率处理音频流，音频数据的输入/输出、射频协议和射频连接等工作由片内的硬件完成。

图3.1所示为使用nRF24Z1的无线音频系统的结构框图，在该系统中，只需使用简单的或低速的微控制器即可完成系统的控制，微控制器通常通过串行口或并行口控制一些简单的任务，如音量调节等。

图3.1　使用nRF24Z1的无线音频系统框图

由图3.1可见，音频数据的传输是由一对nRF24Z1实现的。

nRF24Z1的初始配置由微控制器通过SPI或I2S接口进行控制。

在接收端，外围电路DAC的控制可以由发送端的nRF24Z1通过控制信道进行控制。

如果设计中没有使用微控制器，则配置数据可以通过片外的EEPROM/FLASH存储器进行加载。

在无线音频处理系统中，音频数据的流向总是从声源（如Mic）到声宿（如扬声器）。

本系统中，在声源端使用nRF24Z1进行音频数据的发送，在声宿端使用nRF24Z1进行音频数据的接收。

鉴于上述的收发差异性，nRF24Z1可能通过MODE引脚设置其工作于发射器模式或接收器模式，这两种模式下，nRF24Z1片内工作的模块和I/O引脚功能都有很大差异。

3.2音频发射器（ATX）

nRF24Z1在射频连接的音源一方使用时，MODE引脚接高电平，使nRF24Z1成为一个ATX，其片内功能结构如图3.2所示。

音频数据输入由I2S接

图3.2nRF24Z1作为ATX时片内功能结构框图

口或S／PDIF接担。

3.2.1音频输入接口

I2S接口由CLK、DATA和WS三个引脚组成外接A/D转换器，采样支持32、44.1、48ksps，16或24位格式的音频数据，MCLK引脚提供基础采样频率的256倍作为A/D的系统时钟频率；S/PDIF接口只有SPDIO一个引脚，采样支持32、44.1、48ksps，16位、20位或24位格式的音频数据。

3.2.2控制接口

作为ATX时，一般外接MCU控制nRF24Z1，ATX与ARX的配置和控制数据可以通过I2C从接口或SPI从接口提供，并可从ARX读回状态信息。

SSEL引脚为低电平时，选用SPI从接口（SCSN、SSCK、SMISO和SMOSI）；SSEL引脚为高电平时，选用I2C从接口（SSCL、SSDA）。

如果不外接MCU，也可使用SPI主接口（MCSN、MMISO、MMOSI和MSCK）或I2C主接口（MSDA、MSCL）外挂EEPROM/Flash存储器，nRF24Z1在上电或复位时，可从存储器读取默认的配置数据。

3.2.3直接数据输入引脚

ATX有通用输入引脚DD0、DD1、DD2（当SSEL=1时）。

此时，ARX的DO2、DO1和DO0三个引脚的信号为DD2、DD1和DD0引脚的镜像，使ARX在没有MCU时也能实现一些控制（如音量开关等）。

3.2.4中断输出

当nRF24Z1检测到没有音频输入或射频连接断开时，其可以通过IRQ引脚给微控制器提供中断信号，此时，微控制器可以通过控制接口读取nRF24Z1的状态信息。

3.3音频接收器（ARX）

nRF24Z1在射频连接的音源