基于nRF24E1无线耳机的设计

维普资讯 http://www.cqvip.com ２００６年第７期　福　建　电脑　１０９　基于ｎＲＦ２４Ｅ　１无线耳机的设计　谢光前．殷【摘凯　（常州工学院计算机信息工程学院江苏常州２１３００２）　要】：低功耗、微型化是当前无线通信产品尤其是便携产品的迫切要求。文中首先简要介绍系统级ＲＦ收发芯片　ｎＲＦ２４Ｅ１的各个功能模块及其特性。然后，设计了具有良好性能的无线耳机系统。并在此基础上给出了无线耳机的软硬件设　计。最后．给出实际应用中的一些体会。　【关键字】：ｎＲＦ２４Ｅ１；无线耳机；设计　０．引言　ＳＰＩ（串行外设接口）的３个口与ＧＰＩＯ（ＤＩＮ０、ＤＩＯＮ０和　ＯＮ１）和ＲＦ收发器重用。ＳＰＩ硬件不产生任何片选信号，通常　短距离无线通信潜藏着巨大的商机．目前在世界上流行的　ＤＩ蓝牙技术就是其中的一种。但是由于蓝牙成本一直无法降低，而　用ＧＰＩＯ的位（Ｐ０口）作为外部ＳＰＩ设备的片选口。　且产品不易开发．因此寻找一种低成本的技术来实现短距离无　（３）ＲＴＣ唤醒定时器、ＷＴＤ和ＲＣ振荡器　ｎＲＦ２４Ｅ１内有一个低功耗的ＲＣ振荡器。该振荡器不能禁　线通信更具有现实意义。挪威Ｎｏｒｄｉｃ公司的无线通信高集成一　当ＶＤＤ￣＞１．８Ｖ时，其连续工作。ＲＴＣ唤醒定时器和ＷＴＤ（看　体芯片尤为突出。这类芯片可用与开发无线键盘、无线耳机、无　止。它们的工作时钟为ＲＣ振荡器　线鼠标、工业传感器、ＰＣ外设、电话外设、报警器、远程遥控等。　门狗）为２个ｌ６可编程定时器。本文设计了一款基于ｎＲＦ２４Ｅ１的无线耳机。该芯片嵌人２．４ＧＨｚ　的Ｉ　Ｐ．——０ＳＣ。唤醒定时器和看门狗的定时时问约为３００ｐ，ｓ一　无线内核，１Ｍｂｐｓ高速无线速率，１２５频道，可跳频。内置ＣＲＣ效　８０ｍｓ．默认值为１０ｍｓ。　验和多点通信协议控制；集成增强型５ｌ内核。９路１０ｂｉｔ　ＡＤＣ，　ＵＡＲＴ异步串口，ＳＰＩ串口，ＰＷＭ输出。内置看门狗；所有功能　均在一个６ｘ６ｍｍ芯片上实现，片上系统ＳＯＣ。１．９　３．６Ｖ低功耗，　内置电压监视和复位电路。多种省电模式可供选择，待机电流仅　为２Ａ，成本极低；内有电压调节器；待机电流可低至２１ｚＡ。同时　器件还带有唤醒定时器；采用０．１８ｐ，ｍ的ＣＭＯＳ技术制造；无线　功能全部集成在ｎＫＦ２４Ｅ１内部；嵌人增强型５１单片机内核。可　利用丰富的５ｌ开发资源和经验。迅速掌握和开发；所需外围器　件很少；设计简单。　１．ｎＲ　４Ｅｌ功能介绍【Ｉ叫　ｎＲＦ２４Ｅ１结构框图如图ｌ所示。　（１）微处理器　ｎＲ　４Ｅｌ微处理器的指令系统与工业标准８０５１的指令系　统相兼容，但两者的指令执行时间有些不同。通常。ｎＲＦ２４Ｅｘ的　每条指令执行时间为４　２０个时钟周期．而工业标准８０５１的每　条指令执行时间为ｌ２—４８个时钟周期。ｎＲＦ２４Ｅ１比工业标准　８０５ｌ增加了ＡＤＣ、ＳＰＩ、ＲＦ接收器ｌ、ＲＦ接收器２、唤醒定时器５　图１　ｎＲＦ２４Ｅ１功能模块图　（４）ＭＤ转换器　ｎＲＦ２４Ｅ１内有９通道ｌ０位ＡＤＣ．线性转换时问为每ｌ０位　个中断源，以及３个与８０５ｌ一样的定时器。ＮＲＦ２４Ｅ１内含１个　４８个ＣＰＵ指令周期。ＭＤ转换器的９个输人可通过软件进行选　Ｎ０　ＡＪＮ７上的电压值转换为数　与８０５１相同的ＵＡＲＴ，在传统的异步通信方式下．可用定时器ｌ　择。通道０　７可以把对应引脚ＡＩ和定时器２作为ＵＡＲＴ的波特率发生器。为了便于和外部ＲＡＭ　字值．通常８用于对ｎＲＦ２４Ｅ１工作电压的监控。ＭＤ转换器默　０位方式．可通过软件使其工作于６位、８位或１２位　区进行数据传递。ｎＲＦ２４Ｅ１的ＣＰＵ还集成２个数据指针。　认工作于１ｎＲＦ２４Ｅ１微控制器的时钟直接来源泉于晶振。　方式。　（５）无线收发器　微处理器中有２５６字节的数据ＲＡＭ和５１２字节的Ｒ０Ｍ。　ｎ砌　Ｅｌ收发器通过内部并行口或内部ＳＰＩ口与其它模块　上电复位或软件复位后。处理器自动执行ＲＯＭ中引导区的代　　码。用户程序通常是在引导区的引导下．从ＥＥＰＲＯＭ加载到１　进行通信。具有同单片射频收发器ｎＲＦ２４０１相同的功能。ｖｅｒ接收器输出的数据准备信号，可通过程序使其为微处　个４ＫＢ的ＲＡＭ中，这个４ＫＢ的ＲＡＭ也可作存储数据用。如果　ＤｕｏＣｅｉ应用当中不用掩膜ＲＯＭ（也即内含的ＲＯＭ）．程序代码必须从　理器的中断或通过ＧＰＩＯ口传给ＣＰＵ。ＮＲＦ２４０ｘ工作于全球开　４￣２．５ＧＨｚ频段。收发器由１个完整的频率合成器、１个功　外部非易失性存储器中加载。比较常见的是通过ＳＰＩ接口扩展　放的２．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　型号为２５３２０的ＥＥＰＲＯＭ。　为了控制一些标准８０５１没有的功能．ｎＲＦ２４Ｅ１增加了一些　它射频参数可通过对特殊功能豁口ＲＡＤＩＯ（０ｘＡ０）编程进行控　５ｍＡ，接收模式下为　特殊功能寄存器，如ＲＡＤＩＯ（Ｐ２）、ＡＤＣＣＯＮ、ＡＤＣＤＡＴＡＨ、　制。发射模式下。射频电流消耗仅为１０．可通过程序控制收发器的开，关。　ＡＤＣＤＡ１　Ｌ、ＡＤＣｓ１’ＡｒＩ１Ｃ、ＰＷＭＣＯＮ、ＰＷＭＤＵＴＹ等。其Ｐ０和Ｐ１　１８ｍＡ。为了节能．２ｌ　也和标准８０５１有所不同．其它的特殊功能豁口与标准８０５１相　２．无线耳机系统硬件设计Ｉ同。　（２）ＰＷＭ和ＳＰＩ接口　ｎＲＦ２４Ｅ１具有一个可编程控制的ＰＷＭ输出。使用时，通过　式，该方式下。所有与协议相关的操作都由硬件来处理。数据包　程序改变ｏＩＯｇ（即Ｐ０．９）的功能。并可编程决定ＰＷＭ工作于６　格式是通信协议的重要部分。ｎｌｕ　４Ｅｌ的无线数据包格式如图　位、７位或－８位。　３所示。　无线耳机硬件设计原理图如图２所示。音频的发前过滤、发　后过滤和放大必须在片外进行。采用独特的ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ通信方　维普资讯 http://www.cqvip.com １１０　福建　电脑　２００６年第７期　ｆ２１接收器配置函数　ｖｏｉｄ　ｌｎｉｔ—Ｒｅｃｅｉｖｅ　ｏｌｄ）Ｉ　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｂ：　ＣＳ＝１：，，打开配置方式　Ｄｅｌａｙ１００ｕｓ（０）；　ｆｏｒ（ｂ＝０；ｂ＜ｒｃｏｎｆ．ｎ；ｂ＋＋１／／ｂ＜１５　图２无线耳机硬件设计原理图　Ｉ　ＳｐｉＲｅａｄＷｒｉｔｅ（ｒｅｏｎｆ．１ｍｔ［ｂ］）；，，发送接收嚣配置字　Ｐｅｒａｍｂｌｅ　Ｉ　ＡＤＤＲ　ｌ　ＰＡＹ＝ＬＯＡＤ　ｌ　ＣＫＣ　Ｊ　ＣＳ＝０；，，关配置方式ＣＥ＝ｌ；，，使能收发功能Ｊ　图３　ｎＲＦ２４Ｅ１无线数据包格式　（３）接收函数　其中，Ｐｒｅａｍｂｌｅ是前导码，是由硬件自动加上去的：ＡＤＤＲ是要　ｖｏｉｄ　Ｒｅｃｅｉｖｅｒ（ｖｏｉｄ）Ｉ　发送的３２　４Ｏ位地址码；ＰＡＹＬＯＡＤ是有效数据；ＣＲＣ是ＣＲＣ　ｕｎｓｉｇｎｅｄ　ｃｈａｒ　ｂ：　校验和，它可由内置ＣＲＣ纠检错硬件电路自动加上，可设为Ｏ、８　ＣＳ＝ｌ：，，打开配置模式　Ｄｅｌａｙｔ００ｕｓ（０）；　或１６位。ＡＤＤＲ、ＰＡＹＬＯＡＤ和ＣＲＣ的总长度最大为２５６位．因　ｆｏｒｆｂ－－０＂，ｂ＜ｒｃｏｎｆ．ｎ；ｂ＋＋）Ｉ　此，设置较短的地址和校验和可以提高传输效率．但会使可靠性　ＳｐｉＲｅａｄＷｒｉｔｅ（ｒｅｏｎｆ．ｂｕｔＩｂ￣；，，发送接收嚣配置字　降低。此外，无线收发器ｎＲＦ２４０１有一个１４４ｂｉｔ的配置字．该配　Ｊ　ＣＳ＝０：，，关配置模式　置字规定了无线收发器的接收地址、收发频率、发射功率、无线　ｆ０吒．）Ｉ　传输速率、无线收发模式以及ＣＲＣ校验和的长度和有效数据的　ｂ＝ＲｅｃｅｉｖｅＰａｃｋｅｔ０；，，接收数据包　长度。在同一时刻．无线收发器只能处于接收或发送模式中的一　ＰｕｔＣｈａｒ（ｂ）；，，串口通信函数．将接收到的数据通过串口传送　种，一般以接收模式为待机状态。　Ｊ　Ｊ　３．无线耳机系统软件设计１４１　此程序除了以上函数外．还有发送函数、串Ｉ＝Ｉ通讯函数、读　ｎＲＦ２４Ｅ１具有增强型８０５１内核．Ｋｅｉｌ　Ｃ５１支持ｎＲＦ２４Ｅ１　ＭＤ转换结果函数、接收包处理函数和发送包处理函数等。　开发，因此利用Ｃ５１开发经验即可编出高效优质的代码。此程序　是经Ｋｅｉｌ　Ｃ５１　Ｖ７．Ｏ５编译并调试通过，篇幅有限，仅列出主要功　４．结论　能函数　本设计电路简单．易于实现。经实际调试应用完全可用于点　（１）初始化程序如下：　对点及点对多点的无线数据传输．收到了良好的效果。１Ｍｂｐｓ完　ｖｏｉｄ　ｌｎｉｔ（ｖｏｉｄ）Ｉ　全满足一般无线传输的要求。若进行批量生产时可将程序写进　／／配置Ｉ／Ｏ口　Ｐ０＿ＡＬＴ＝０ｘ０６；，，Ｐ０．１为ＲＸＤ．Ｐ０．２为ＴＸＤ　ｎＲＦ２４Ｅ１的内部ＲＡＭ中。从而省去了外部串Ｉ＝Ｉ　ＥＥＰＲＯＭ，节约　Ｐ０．．ＤＩＲ￣０ｘ０９；，，Ｐ０．０和Ｐ０．３设为输人　了成本　Ｐｌ—ＤＩＲ￣０ｘ０３；／／ＰＩ．０和ＰＩ．１设为输人　Ｉ￣ＵＰ＝Ｉ；，，开Ｒａｄｉｏ．读时不用．写时为电源　ＳＰＩＣＬＫ￣０；ＨＳＰＩ时钟为ＸＴＡＩ／８　参考文献：　ＳＰＩ＿Ｃ＇ｒＲＬ＝Ｏｘ０２；／Ｉ把ＳＰＩ与收发通道Ｉ（ＣＨＩ）相连　１．Ｎｏｒｄｉｃ　ＶＬＳｌ　ＡＳＡ　Ｉｎｃ．４３３／８６８１９１５Ｍ｝ｌｚ　Ｒ　ｔｒａｎ．＿ｗｅｉｖｅｒｗｉｔｈ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　／／串口通讯初始化　１Ｈｌ＝ＯｘＯＦ３；，，晶振为１６ＭＩ＇Ｌｔ．波特率为１９２００（￣ＴＩＭ＝ｌ且ＳＭＯＤ＝ｌ时１　８０５１　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　４　ｉｎｐｕｔ．１０　ｂｉｔ　ＡＤＣ［Ｚ］．２００４　ＣＫＣＯＮ　ｌ罩０ｘｌ　０；，，ＴｌＭ；ｌ（计数器时钟为ＣＰＵ时钟的ｌ，４１　２．Ｎｏｒｄｉｃ　ＶＬＳＩ　ＡＳＡ　ｌｎｃ．２．４Ｇｈｚ　Ｒ　嘞ｓｃｅｉｖｅｒ　ｗｉｔｈ　ｅｍｂｅｄｄｅｄ　８Ｏ５１　ＰＣ０Ｎ。０ｘ８０；／／ＳＭ０Ｄ＝Ｉ（双倍波特率１　ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ　ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ　ａｎｄ　９　ｉｎｐｕｔ．１０　ｂｉｔ　ＡＤＣ．２ｏｏ５　ＳＣＯＮ；０ｘ５２；，，采用串口模式１．使能接收器　３．Ｎｏｒｄｉｃ　ＶＬＳＩ　ＡＳＡ　Ｉｎｃ．ｎｌＬＦ２４Ｅ１　ａｎｄ　ｎｌＬＦ２４Ｅ２　ＩＬｌ：ｈｙｏｕｔｓ．２ｏ０３　ＴＭＯＤ；Ｏｘ２０；，『』使用计数器１．３位计数值自动重载　４．赵亮著，单片机ｃ语言蝙程与实侧。北京．人民邮电出版社．２００３　ＴＣＯＮ；０ｘ４０；，，，启动计数器ｌ　・——　－—●一－＋－＋・—●一－＋－＋－＋－＋－＋－＋－＋　－——　－＋　（上接第１０４页）　做过对比：在实现增加新用户的方法中．用ＶＢ来实现“结构”需　般用ＶＢＳｃｒｉｐｔ脚本语言编写。ＶＢＳｃｒｉｐｔ是ＶＢ的子集。与ＶＢ的　要额外增加六十行代码。而由于ＶＣ和ＡＰＩ的语法一致．在ＶＣ　语法一致。这种天然的一致性较好地保证了组件与脚本的“平　中可以直接使用这些“结构”而不需增加一行代码来进行“结构”　滑”对接。但当用ＶＣ开发组件时．组件经常在与ＡＳＰ脚本对接　的转换。对于“指针”的使用ＶＢ具有天然的缺陷．在个人空间管　时产生问题。这是因为ＶＣ的变量语法与ＶＢＳｃｆｉｐｔ的变量语法　理组件实现中。用ＶＢ进行指针地址的分配和释放还需要另外　有很大差别。ＶＣ中变量的语法定义种类繁多．而ＶＢＳｃｒｉｐｔ则语　增加其他的ＡＰＩ函数来实现．而ＶＣ与诸多语言中相比较其最　法粗略，两者的对接很容易产生冲突。举例来说。ＶＣ中关于字符　大的特色之一就是能够对“指针”进行快捷的管理和使用．即能　串类型的定义有：ＢＳＴＲ、ＬＰＣＳＴＲ、ＬＰＳＴＲ、ＬＰＣＴＳＴＲ、ＬＰＴＳＴＲ、　够直接访问内存，因此用ＶＣ实现该组件时，自身即可以方便地　ｌＷＳＴＲ、．ｂｓｔｒ　ｔ、Ｃｓｔｒｉｎｇ等若干种。这种情况下用ＶＣ编写组件　实现指针的分配与释放。而无须调用额外的ＡＰＩ。　定义字符串参数变量时就有很多种选择．而ＶｂＳｅｒｉｐｔ默认只有　总之，在ＣＯＭ组件的开发中。ＶＣ和ＶＢ各有优势所在．适　一种字符串类型．这样在传人参数时就很容易产生不匹配的问　用于不同的场合。因此，在实际开发过程中。ＣＯＭ组件的开发需　题，这种不匹配可能造成组件调用失败。这种类型的调用失败不　要ＶＣ和ＶＢ配合使用　是因为组件内部实现的原因造成的。属于外部“干扰性”错误。这　②“平滑”对接的问题　种错误额外地增加了调试任务。所以在组件测试阶段．对于调用　组件最终需要由脚本语言来调用实现其功能　而组件与脚　失败的问题需要考虑到是否是因为这种“非平滑式对接”的外部　本语言的对接点是接口（方法和属性）。这就涉及到在接口处“平　“干扰性”错误引起的　滑”对接的问题。所谓“平滑对接”是指在脚本文件中调用组件接　４．结束语　口时传人的参数变量在语法上与参数本身的语法定义能够完全　利用ＣＯＭ组件技术．可以快速的设计出利用率较高的程序　匹配，从而不会因为语法不匹配这样的外部“干扰性”原因而致　软件。本文是使用ＣＯＭ组件进行数字资源管理所做的一种尝　使组件调用失败。　例如。在Ｗｉｎｄｏｗｓ　ＤＮＡ系统中．ＡＳＰ脚本　试。相信Ｃ０Ｍ组件技术的应用必将推动数字化资源管理向分布　文件与ＶＢ编写的组件的对接一般比较顺畅．这是因为ＡＳＰ—　式模式发展