（电路与系统专业论文）基于24G+RF的无线SKYPE电话研究与设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 网络i p 电话是一种低成本，实时而且有效的语音传输方式。在 网络化的今天，网络实时语音传输技术的应用有着深刻的商业应用价 值。“s k y p e 软件，是全球范围内一种通用的实时语音通讯软件。良 好的语音压缩能力、工p 穿透能力、比较满意的语音延迟等优点使得 “s k y p e ”软件在这一领域获得了一致好评，也赢得了广泛的用户群。 目前通过s k y p e 进行语音传输时一般是通过有线耳麦连接计算 机的音频模拟输入输出接口进行通信，人被固定在p c 端周围，使用 舒适度大大降低，本文论证设计了一种以2 4 gr f 为基础的无线耳麦， 用户使用时能脱离微机在一定范围内自由移动通信；详细介绍了一种 以u s b 2 o 结构，2 4 gr f 无线传输技术作为传输基础的无线电话， 使得客户在进行语音通话的时能摆脱传统p c 一有线耳机一m i c 的方式， 将使用者从这些纷乱的电缆中解放出来。 该设计采用s t c c y p r e s sm c u 、n o r d i c2 4 gr f 为硬件平台，完 成了输入、调制发送、解调接收、输出等一系列的过程。测试结果也 表明电路能稳定工作，符合设计初衷。 关键词：网络语音电话s k y p e2 4 g 射频技术高斯频移键控 视窗驱动 a b s t r a c t i ns u c hai n t e r n e tti m e ， a sas p e e c ht r a n s m it w a y ， v o i p p h o n e w h i c h w i t hl o w c o s t ，r e a l 一t i m e a n de f f i c i e n t c h a r a c t e r i s t i c ，g o tap r o f o u n dv a l u eo fc o i l l 【m e r c i a l l yv a l u a b l e t h es o f t w a r en a m e d“s k y p e ”t h a tb a s e do nt h i sd e s i g ni sa p o p u l a rc h a ts o f t w a r ei nt h ew o r l d i t sp e r f e c ts h o wa ts p e e c h c o m p r e s s i o n ， i pp i e r c ea n ds a t is f a c t o r yv o i c ed e l a ym a k ei t w e l l 一r e d u t e di nt h ef i e l da n de a r ni t sc u s t o m e r sa l s o a tp r e s e n t ，f o rv o i c et r a n s m i s s i o nb ys k y p eg e n e r a l l yu s e s ac a b l ec o n n e c th e a d s e tt oc o m p u t e r sa u d i oa n a l o gi na n d0 u t p o r tw h e nw er u ns k y p e ， s ou s e r sw i l lb e1 i m i ta r o u n dc o m p u t e r ， g r e a t l yr e d u c i n gt h ec o m f o r t s ow ed e s i g naw i r e l e s sh e a d s e t b a s e do n2 4 gr f ，t h eu s e r sw illb r e a ka w a yt h ec o m p u t e ri na c e r t a i nr a n g e ：i ti si n t r o d u c e di nd e t a ilt h a taw i r e l e s sp h o n e w h i c hb a s e do nu s b 2 0a n dr ft e c h n 0 1 0 9 yt or e a li z e di nt h ep a p e r c u s t o m e r sc a na b a n d o nt r a d i t i o n a lc a b l ea sp c c a b l e m i c ，a n db e f r e e f r o md i s o r d e r l yc a b l e s t c c y p r e s sm c u ，n o r d i c2 4 gr fa r es e l e c t e da sh a r d w a r e p l a t f o r m ，as e r i e so fp r o c e s ss u c ha si n p u t ，m o d u l a t i o nt os e n d ， r e c e i v ed e m o d u l a t o r ， o u t p u ta r ef i n i s h e di nt h ed e s i g n t h e t e s tr e s u l t sa l s os h o wt h ec i r c u i tc a nw o r ks t e a d il y ，a c h i e v e t h ed e s i r e dr e a u i r e m e n t s k e y w o r d s ： v 0 工ps k y p e2 4 gr f g f s k w d m i i 湖南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：年 月 日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属湖南师范大学。 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“ ”) 作者签名： 日期：年月 日 钟签沙 嗍1 钆月节日 【 基丁2 4 gr f 的无线s k y p e 电话设计 第一章网络i p 电话传输技术综述 1 1v o ip 的历史和发展 随着计算机网络技术的发展，因特网带宽不断增加，v 0 工p 电话 发展迅猛，通过互联网打电话已经不是新鲜话题，v o i p 是v o i c eo v e r i n t e r n e tp r o t o c 0 1 的缩写乜1 ，指的是将模拟的声音信号经过采样， 编码，压缩与封包之后，以数据封包的形式在i p 网络的环境进行语 音信号的传输，伴随着因特网技术的发展，v o 工p 对基于i p 网络的语 音通信给出了实现标准，以该技术为基础的语音传输将成为宽带网上 的发展方向3 1 。在7 0 年代，人们己开始了v o i p 的研究。9 0 年代后， 随着i n t e r n e t 在全球范围内兴起和话音编码技术的发展，i p 分组话 音通信技术获得了突破性的进展和较为广泛的应用。2 0 0 2 年后，s i p 协议一经推出便得到了迅速发展，3 g p p 组织也在其发布的i m s 5 中采 用s i p 作为信令协议。随着v 0 工p 技术的发展，s 工p 协议逐步代替h 3 2 3 协议成为v o i p 的核心信令协议。近两年，v 0 工p 业务在全球成为热点， 国际上各种形式的v o i p 业务不断涌现，对电信业务市场产生了冲击。 从业务发展看，v o 工p 电话己从当初的劣质、便宜、局部使用的网络 电话发展到大规模网络化、主导运营商参与、消费者认知、并被认定 为下一代替代网络的核心技术。目前，国内电信业务也直接面临v o i p 业务的挑战，各种v o i p 业务逐渐的兴起，中国的企业也开始采用各 种技术提供v o i p 业务，对国内电信运营市场造成了巨大冲击。 1 2v o ip 研究的现状 v o i p 发展的现阶段目标是向n g n 演进，n g n ( n e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k ) 即下一代通信网络。它是以软交换为核心的，能够提供包括 语音、数据、视频和多媒体业务的基于分组技术的综合开放网络架构， 代表了通信网络发展的方向。其主要特点为：把网关向末端延伸，i p 到末端提供有服务质量保证的通信业务：向公众提供更丰富的语音增 中职教师在职硕士学位论文 值业务：从单一媒体通信向多媒体通信发展：融合固定通信业务与移 动通信业务：融合电信业务和互联网业务：解决组建n g n 大网问题：解 决网间互联互通互操作问题：解决n g n 网内媒体信号处理问题：新的 业务网络具有强大的o s s ：可监管，可合法监听：具有良好的商业运营 模式5 1 。当前v o i p 的发展迅速而极具创意，各种商业模式和产品都 己推出。例如有s k y p e 、m s n 、y a h o o 、m e s s e n g e r 和移动飞信等桌面 平台应用软件，这些产品都得到了广泛的应用和用户的肯定。但是桌 面软件具有自身的弱点，例如移动性比较差，不灵活，系统资源要求 较高等，并不适合也不兼容在手机等移动设备上使用，目前在移动设 备上支持v o i p 的应用还寥寥无几，不过通过v o i p 外部设备可以适当 弥补移动性差的缺点。 1 3 研究的背景与意义 传统的语音话务大多是基于电路交换，而基于因特网的语音v o i p 电话是对传统语音通讯的一种颠覆，这种方式最大的优点就是通讯费 用比较便宜，并且随着带宽的增加和各种技术的改进，语音质量已经 和传统电话语音质量不相上下。不过一般的这种v o i p 电话以因特网 作为传输媒介，不能脱离p c 而独立存在，其外设( 人机交互装置) 大多是传统的有线耳机和m i c ，必须连接到p c 模拟音频输入输出接 口来实现声音采集和输出。相对于灵活的g s m c d m a 电话而言，用户 被数据线捆绑在p c 周围，通话人使用时不能做大幅度的移动，使用 时的舒适性大打折扣。 本文针对这一情况采用r f 无线方式，从而避开了电缆，这样的 无线电话使用起来，虽然依旧没有移动蜂窝式电话方便，但如果使用 者离开p c 不是很远，比如1 0 m 范围内是完全可以比较通畅对话。其 优点是在语音质量和传统的程控电话差不多的情况下，话费只有后者 的百分之十左右，甚至于通话双方只是p c 间的点对点，则通讯完全 免费，实现了移动性和通话成本之间的折中。 基于2 4 gr f 的无线s k y p e 电话设计 1 4 论文完成的工作 本文主要研究内容是：以m c u 作为控制端和r f 器件搭配构建硬 件系统，该系统以s k y p e 为软件平台，完成声音信号采集转换，发射 和接收等过程。 整个论文结构总体分为硬件和软件两个部分，按通信过程把设 计分为若干功能模块，分别详细阐述硬件和软件的实现过程。 硬件包括： 1 射频电路； 2 手持部分键盘输入电路：l c d 显示电路：音频a d ，d a 电路； 3 基座部分键盘输入电路：音频a d ，d a ； 4 u s b 型m c u 与p cu s b 接口电路； 并且探讨了p c b 布线等硬件设计中的细节问题。 软件包括： 1 射频电路的收发程序； 2 键盘扫描，l c d 驱动，音频模块的驱动； 3 u s bm c u 的固件程序； 4 u s bw d m 驱动； 详细描述了软件调试过程，实现性能的最优化的方法。最后软硬 件结合进行整体性能测试，给出测试结果。 基丁2 4 gr f 的无线s k y p e 电话设计 第二章无线语音传输的基本方案 2 1 无线通信系统概述 一切完成信息传输任务的系统可称为通信系统，一个完整的通信 系统组成框图可用图2 1 来表示。 l 信l _ j 输入变l _ j 发送u 信道u 接收l _ j 输出变i - _ j 信i f 源li 换器ll 设备ll 设备lj 换器|i 宿i 图2 一l 通讯系统方框图 信源：信源就是信息的来源。它有着不同的形式，可能是语言、音乐、 文字、图像、也可能是电码等形式。 输入变换器：它的作用是将信息变换成相应的电信号，不同的信源需 要不同的变换器，它可能是话筒、摄像机、电话机、电报机等。 发射设备：它完成信号的处理，将电信号变换为适合在不同信道内传 输的信号、发射设备包括振荡、放大、调制、输出等部分。 接收设备：它将由信道送来的信号还原为源端的电信号。它包含混频、 解调、放大等。 输出变换器：它的作用是将传输来的电信号变换成所需要的信息形 式。它可能是扬声器、显示器、控制器、打印设备等。 信宿：信息最终要交换到的终端。 信道：它是发射设备和接收设备中间的传输媒介，表明信号传输的途 径。信道的种类很多，大体上可分为以下几种： 1 无线信道：它是利用自由空间、电离层等来传输信号，属于无线 通信。 2 有线通道：它是利用架空明线或电缆来传输信号，属于有线通信。 3 光通道：它是利用纤维光缆来传输信号，属于光通道。 由于每种信道的传输特性不同，因此根据不同的通信方式、环境 和条件，必须选择不同工作波段。因为我们要研究无线通信，下面简 要介绍一下无线电波工作的波段。 无线通信它具备将高频电信号加于发射天线上，利用自由空间传 中职教师在职硕士学位论文 输电磁波的特性，将信号发射至远方。表2 1 列出了无线电通信中各 种波段使用情况。不同频率的电磁波有着不同的传输特性，因此必须 根据实际用途来选用不同的波段。 表2 1 无线电波波段划分表 波段名称波长范围频率范围主要用途 长距离通信、导 超长波 1 0 5 1 0 4 m3 0 3 k h z 航、频率标准 导航、长距离通 长波 1 0 4 1 0 3 m3 0 3 0 0 k h z 信 广播、船舶通信、 中波 1 0 3 1 0 2 m 3 0 0 k h z 3 删z 飞行通信 短波1 0 0 1 0 m3 3 0 删z 广播、各种通信 短距离通信、电 超短波 1 0 1 m 3 0 3 0 0 姗z 视雷达导航 短距离通信、雷 分米波1 o 1 m3 0 0 3 0 0 0 姗z 达散射通信 短距离通信、雷 厘米波 1 0 1 c m3 3 0 g h z 达卫星通信 穿入大气层时的 毫米波 1 0 1 咖3 0 3 0 0 g h z 通信 2 2 无线传输的几种解决方案 现在比较流行无线数据传输有下面几种方式：红外技术，蓝牙技 术，8 0 2 1 1 b 无线局域网标准技术和微功率短距离无线通信技术。 1 红外技术 红外线传输是一种短距离无线传输技术，发展历史可以追溯到 1 9 7 4 年，它是利用人眼看不到的红外线波段电磁波来传送数据，通 讯距离在o 一4 米之间，理论传输速率最快可达1 6 m b p s ( 在实际应用中 往往只有几十k 的通讯速度) ，通讯介质为波长为9 0 0 n m 左右的近红 外线。不过红外线传输受空间限制条件较大，例如信号对应接收角度 比较小，一般在3 0 。左右，同时收发双方之间不允许有障碍物阻隔， 而且在不同类型或者品牌设备之间会存在串扰现象，其中一个控制器 发出的指令除了被对应设备接收以外，印还可能同时被第三方设备错误 基于2 4 gr f 的无线s k y p e 电话设计 读取和解析，发生误操作的情况。 2 蓝牙 蓝牙技术是一种短距离无线通信技术，它采用无线电射频技术实 现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网 络中各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微 ( p i c o n e t ) ，多个微微网之间也可以形成分布式网络( s c a t t e r n e t ) ， 从而方便，快速的实现各类设备之间的通信，蓝牙技术使用2 4 g h z 的i s m ( i n d u s t r ys ci e n c e m e d i ci n e ) 频段，具有全球可操作性，最 大传输率1 船i t s ，当发射功率为1 m w 时，有效距离小于等于1 0 米， 适合于鼠标，键盘等短距离设备，当功率为1 0 0 m w 时，适合于移动电 话，笔记本电脑等经常变动环境的设备。它采用跳频扩频f h s s ( f r e q u e n c yh o p p i n gs p r e a ds p r e c t r u m ) 技术，具有非常可靠的数 据和语音传输能力，蓝牙芯片尺寸小，功率低，其应用越来越广泛。 但一个微微网同时连接的设各个数不能多8 个，当多于8 个时只能通 过建立多个微微网，利用跨两个微微网的设备进行连接，会造成网速 下降，蓝牙技术更强调设备之间的连接，而不是客户机与服务器之间 的连接，并且蓝牙技术尚无国际标准，只有蓝牙利益集团制定的行业 标准。 3 w i f i ( i e e e 8 0 2 11 b g n ) i e e e 8 0 2 1 1 b 技术标准是无线局域网的国际标准，使用2 4 g h z 的i s m 频段，采用直接序列扩频d s s s 技术进行调制解调增强了抗干 扰能力，提高了传输速度。8 0 2 1 1 b 无线网络的最大优点是兼容性， 只要在原有网络上装上a p ( a c c e s sp o i n t ) ，就可以提供无线网络服 务，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，象使用 有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。8 0 2 1 1 b 具有有线等价 保密机制w e p ( w i r e de q u i v a l e n t p r i v a c y ) 确保数据安全。以其具有 穿透能力，全方位传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络，运 营成本低，投资回报快等特点，正逐渐受到电信制造商和运营商的青 睐，目前此种设备还比较昂贵，妨碍了其推广和应用。更多新的w i f i 标准正在制定之中。速度更快的8 0 2 1 1 9 使用与8 0 2 1 1 b 相同的正交 中职教师在职硕二f = 学位论文 频分多路复用( o f d m ) 调制技术，同样工作在2 4 g h z 频段，速率达 5 4m b i t s ，比目前通用的8 0 2 1 1 b 快了5 倍，并且完全向后兼容 8 0 2 1 1 b ，8 0 2 1 1 9 将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为 产品标准，而下一代的w i f i 标准8 0 2 1 l n 可望达到1 0 0m b i t s 。 4 微功率短距离无线通信技术 随着大规模集成电路技术的发展，短距离无线通信系统的大部分 功能都可以集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯 片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，所 有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良 好，性能稳定且不受外界影响。射频芯片一般采用f s k 调制方式，工 作于i s m 频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简 单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设 置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依 据命令字进行操作即可实现基本的数据无线传输功能。新一代短距离 无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等 优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备 间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到 较为广泛的应用。各种短距离无线通信技术主要性能列表比较如下表 2 2 所示： 表2 2 各种短距离无线通信技术主要性能列表 微功率短距离无 红外技术蓝牙技术 8 0 2 1 1 b 线通信技术 系统功耗较高高较低最低 通信距离 1 0 m 1 0 0 m 3 0 0 m 3 0 0 m 可高达 通信速率 2 m b s 5 0 0 m b p s 通信频率红外频率 2 4 g h z2 4 g h z2 4 1 0 6 g h z 频率申请否否否否 开发难易易难 难 易 通信方式 红外 蓝牙 8 0 2 1 1 bf s k 模块成本 一 7 很低高很高低 基于2 4 gr f 的无线s k y p e 电话设计 方案结论：通过对各种无线通信传输技术的比较并结合本次设计 应用场合后得出结论，由于普通射频芯片价格低，开发简单快速，功 率小，功能简单，携带方便，使得其在无线产品中得到了广泛的应用， 因此我们将采用普通射频芯片来实现短距离无线通信的目的。 2 3 系统方案的总体设计 根据图2 1 通讯系统框图，提出s k y p e 无线电话的系统框图。 ( a ) 手持部分电路 ( b ) 基座部分电路 图2 2s k y p e 无线电话的系统框图 设计外观上分为手持，基座两个部分，如图2 2 所示，两个部分 由射频模块联结起来，无线s k y p e 电话是一个典型的双工系统，根据 1 4 总结的工作内容结合图2 2 ，可将工作内容进一步分解为下面几 个部分：1 射频电路模块选择：射频电路硬件电路原理、分析与设计： 射频电路天线设计：射频电路软件设计，射频电路调试：2 手持部分矩 阵扫描键盘电路设计：扫描程序设计：3 基座部分键盘电路原理分析 与设计：基座部分键盘扫描程序设计：4 iu s bm c u 选型及特点分析：p c u s b 结构特点分析：5 上位机u s bw d m 驱动设计6 s k y p ea p i 接口分 析与设计： 中职教师在职硕士学位论文 2 4 系统模块选择 设计方案确定后接下来重要的是选定各部分的工作模块，在能满 足基本工作的前提下尽量选择简单实用、易于实现的方案，器件的选 择要考虑合适的参数、稳定的性能、较低的功耗、低廉的成本，达到 最佳的性价比，这样的产品才能在激烈的市场竞争中立于不败之地。 按照图2 2 提出的框图，搭建起硬件电路需要选择下列器件： 1 双工射频模块； 2 主控m c u ，一款i o 型m c u ，一款u s b 型m c u ，保证有足够的 速度满足数据流的传输； 3 音频d a ，a d 专业芯片，实现语音的数模模数转换； 4 能满基本汉字显示的l c d ； 5 其他辅助器材，如按键，直流电源i c 等； 2 4 1 射频模块选择 选择无线收发芯片要根据系统性能要求综合考虑，主要有以下几 占 j 、 1 收发芯片数据传输的编码方式 一般采用曼切斯特编码的芯片，在编程上会需要较高的技巧和经 验，需要更多的内存和程序容量，并且曼切斯特编码大大降低数据传 输的速率，一般仅能达到标称速率的l 3 。而采用串口传输的芯片， 如n o r d i c 公司的n r f 2 4 0 1 系列的芯片，因为串口的编程相对简单， 应用及编程非常简单，并且传送的速率很高，标称频率就是实际速率。 2 外围元件数量 芯片外围元件的数量决定了模块的体积和重量，以及整个系统的 复杂性。因此应该选择外围元件少的收发芯片。这方面n o r d i c n r f 2 4 0 1 也是个较为理想的选择。外围元件仅需两个，无需表面滤 波器、变容管等昂贵的元件，只需一个晶振个电阻即可设计射频电 路。 基丁2 4 gr f 的无线s k y p ei 色话设计 3 功耗 由于无线收发芯片是应用在一些便携式的产品上，因此功耗非常 重要，应该根据需要选择综合功耗较小的模块。 4 发射功率 在同等条件下，为了保证有效和可靠的通信，应该选用发射功率 较高的产品。 在实现短距离无线通信上成本低廉，开发周期短，在这类芯片中 n o r d i cv l s i 公司( 北欧集成电路公司) ，其n r f x x 系列无线速率最高， 达到1 m b p s ，因此我们选用n r f 2 4 0 1 系列。相对于其它专业的短距离 射频芯片，n r f 2 4 0 1 是一个单片无线收发一体芯片，工作在2 4 g h zi s m 频段。其特点有：体积小，采用q f n 2 45 5 毫米封装；应用电路使 用外围元件少；采用f s k 调制方式，1 2 5 个频道，能满足多频及跳频 需要；传输速率高达1 m b p s ，具有高数据吞吐量；发射功率、工作频 率等所有工作参数全部通过软件设置；功耗低，电源电压为1 9 3 6 v ，满足低功耗设计需要：芯片内部设有专门稳压电路，使用各种 电源包括d c d c 开关电源均有较好的通信效果；n r f 2 4 0 1 可通过软件 设置最多4 0 b i t 地址，只有收到本机地址时才会输出数据，同时内置 了c r c 纠错硬件龟路和协议，便于软件开发。以n r f 2 4 0 1 为核心的射 频模块可方便地嵌入到测量和控制系统中，在仪器仪表无线数据采 集、无线抄表系统中有着广泛地应用。因此，本文也采用了n r f 2 4 0 1 射频芯片来完成短距离无线通信系统的无线电连接。 n r f 2 4 0 1 是n o r d 工cs e m i c o n d u c t o r 公司生产的单片式无线收发 芯片。它工作在全球开放的2 4 g h z 的i s m 频段。它由完全集成的功 率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调整器组成。n r f 2 4 0 1 的引脚 排列如图2 3 所示。它采用5 咖5 咖的2 4 的引脚q f n 封装。 中职教师在职硕士学位论文 翼重量彗羹 委 8 吾吾；甬 粥 图2 3n r f 2 4 0 1 封装图 n r f 2 4 0 1 的电气性能参数： 电源电压范围为1 9 3 6 v ，功耗很低； 电流消耗很小，一5 d b m 输出功率时的典型峰值电流为1 0 5 m a ； 芯片内部设置有专门的稳压电路，因此，使用任何电源( 包括 d c d c 开关电源) 均有很好的通信效果； 采用全球开放的2 4 g h z 频段，有1 2 5 个频道，可满足多频及跳 频需要； 速率( 1m b p s ) 高于蓝牙，且具有高数据吞吐量； 外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路； 发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置； 每个芯片均可以通过软件设置最多4 0 b i t 地址，而且只有收到 本机地址时才会输出数据( 提供一个中断指示) ，同时编程也 很方便； 内置c r c 纠检错硬件电路和协议； 带有集成增强型8 0 5 1 内核、9 路l o b i t a d c 、u a r t 异步串口、 s p i 串口和p w m 输出； 采用d u o c e i v e r 技术可同时接收两个n r f 2 4 0 1 的数据； 采用s h o c kb u r s tt m 模式时，能适用极低的功率操作和不严格 的m c u 执行； 带有集成增强型8 0 5 1 内核、9 路1 0 b i t a d c 、u a r t 异步串口、 基于2 d gr f 的无线s k y p e 电话设计 s p i 串口和p 1 j l m 输出； 内置看门狗； 无需外部s a m 滤波器； 可1 0 0 r f 检验； 带有数据时隙和数据时钟恢复功能； n r f 2 4 0 1 内部结构图： n r f 2 4 0 l 的内部结构可分为发射电路、接收电路、模式和低功 耗控制逻辑电路及串行接口几部分，如图所示： 图2 4n r f 2 4 0 l 内部结构框图 芯片内部包含有频率合成器( f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) 、功率放 大器( p a ，p o w e ra m p l i f i e r ) 、中频带通滤波器( i fb p e ) 、解调器 ( d e m o d ) 、时钟恢复数据限幅器( c 1 0 c kr e c o v e r y d a t as l i c e r ) 、 地址解码( a d d rd e c o d e ) 、f i f 0 输入输出( f i f o ) i n o u t ) 、c r c 编 码解码( c r cc o d e d e c o d e ) 、g f s k 滤波器( g f s kf 订t e r ) 、双超外 差式接收器( d u o c e i v e r ) 、突然爆发( s h o c kb u r s t ) 等电路。外部 接口有三线接口( 3 一w i r ei n t e r f a c e ) 、数据通道1 ( d a t ac h a n n e l 1 ) 、数据通道2 ( d a t ac h a n n e l2 ) 和电源导通控制( p w r - u p ) 等。 n r f 2 4 0 1 工作模式： n r f 2 4 0 1 的p w r _ u p 、c e 和c s 三个引脚决定n r f 2 4 0 i 的工作模式， 1 3 中职敦师在职硕士学位论文 共有四种，分别为：收发模式、配置模式、待机模式和掉电模式。各 种模式的控制方式见表2 3 。 表2 3n r f 2 4 0 1 模式控制表 模式 p w rc ec s 收发模式( 发射接收) 11o 配置模式 1o1 待机模式 10o 掉电模式 0xx 表2 4n r f 2 4 0 1 引脚定义 引脚 名称 引脚功能描述 1c e 数字输入使n r f 2 4 0 1 工作于接收或发射状态 2d r 2数字输出频道2 接收数据准备好 3c l k 2 数字i 0频道2 接收数据时钟输入输出 4d o u t 2 数字输出频道2 接收数据 5c s数字输入配置模式的片选端 6d r l 数字输出频道l 接收数据准备好 7c l k l 数字i 0频道l 接收数据时钟输入输出 8d a t a数字i 0频道1 接收发射数据端 9d v d d 电源电源的正数字输出 1 0a v s s 电源电源地 1 lx c l 模拟输出晶振l 1 2x c 2模拟输入晶振2 1 3v d dp a 电源输出给功率放大器提供l - 8 v 的电压 1 4a n t l 天线天线接口l 1 5a n t 2天线天线接口2 1 6 一 v s sp a 电源电源地 1 7d v d d 电源电源正端 1 8a v s s电源电源地 1 9i r e f 模拟输入模数转换的外部参考电压 2 0a v s s 电源电源地 2 ld v d d电源电源正端 2 2 a v s s电源 电源地 2 3p w ru p 数字输入芯片激活端 2 4d v d d 电源电源正端 2 4 2 主控芯片选择 如图2 2 所示，设计中采用了2 款主控m c u ，分别控制两个射频 模块，m c u 选型考虑资源满足设计的情况下尽量采用开发平台方案成 熟，软件移植简单的m c u ，在这里手持电话部分主控采用 基于2 4 gr f 的无线s k y p e 电话设计 s t c l 2 c 5 4 1 0 a d ，而基座部分因为需要通过u s b 与微机通讯，采用带有 u s b 功能的c y p r e s sm c uc y 7 c 6 8 0 1 3 2 4 2 1i 0 型m c u 选择 一s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 单片机资源主要特点： 1 在系统可编程，无需编程器，无需仿真器； 2 原复位电路可以保留，也可以不用，不用时r e s e t 脚直接短到地； 3 三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施； 1 禁止a l e 输出： 2 如选6 时钟机器周期，外部时钟频率可降一半： 3 单片机时钟振荡器增益可设为1 2 9 a i n ： 4 超低功耗 1 掉电模式：典型功耗 f s t 8 c l k t p c m 下 m o l k p c m r b c u ( r f s r u f a 婆 刚 f 阳m es y n c 2 0 4 8m 萱z b i t c l o c k 民m o u t _ p c m i n t 6l d e s 日e c t 1 0 p o w e j rc o n t r o l y j p 匕且 匕h v 图3 6w 6 8 1 3 1 0 应用电路 w 6 8 1 3 1 0 的1 6 脚为u l a w 或者a l a w 选择p i n ，当1 6 脚连接v s s 芯片以a l a w 转换模拟信号，连接到v d d 为u l a w ，8 脚p c m r 为数 字信号的输入端，但必须与f s r ，b c l k r 同步，而1 3 脚p c m t 为数字 语音信号的输出端，也必须与f s k ，b c k k t 同步，这些脚位都由m c u 控制。 3 4s t c l2 c 5 4 10 a d 控制电路 上一章已经提到，设计中的手柄部分主控采用i 0 型m c u ， s t c l 2 c 5 4 l o a d ，图3 1 表明与s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 需要完成1 射频模块 n r f 2 4 0 1 控制；2 语音模块w 6 8 1 3 1 0 控制；3 l c d 显示控制；4 键盘 扫描； 3 4 。1s t c l2 c 5 4 1 0 a d 与射频模块接口电路 n r f 2 4 0 l 采用s p i 口来交互信息，n r f 2 4 0 1 的d r l ，c l k l ，d a t a 分别连接到s t c 的p 3 2 ，p 1 6 ，p 1 5 p 1 7 的 舴 肌 啪一 雕 刚 吣 一一 基丁2 4 gr f 的无线s k y p e 电话设计 三 图3 7s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 与n r f 2 4 0 1 的电龉连镁图 在这个电路中，天线部分的元件有四个，有精度要求，要求 o 1 p f 。晶体振荡器芯片的v c 0 电路需要外接一个v c o 电感。这个电 感的要求比较高，q 值大于4 5 ，精度2 。为了获得最好的r f 性能， 发射和接收的频率误差不能超过7 0 p p m ( 3 0 i ( h z ) 。这就要求晶体的稳 定度不能低于3 5 p p m ，如果超过此误差，将导致接收灵敏度1 2 d b 倍程的损失。由于晶体的稳定度还受到温度变化的影响，所以晶体的 稳定度应在2 0 p p m 的范围内，对普通晶体，是一个比较高的要求。 3 4 2s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 与音频模块接口电路 图3 8 已经给定了w 6 8 1 3 1 0 应用电路图，在这个电路图中，编码 主时钟b c l k t 与解码主时钟b c l k r 相连，编码同步信号f s t 与解码同 步借粤f s r 相连，在s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 中四个i o 脚p 3 o ，p o 1 ，p o 2 ， 中职教师在职硕士学位论文 p o 3 与w 6 8 1 3 l o 的通讯脚、同步脚相连接。具体连接方法如图3 8 所示： p 3 0 f s t p 0 1b c l x t p 0 2p c c r 数字毒颠蚺出 “ s t c l2 c 5 4 10 虻l k 隔8 1 3 1 0 p 0 3p c 飓 横舣毒瓶蚧 b c l k r f s r 图3 8s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 与w 6 8 1 3 1 0 电路连接图 3 4 3s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 与l c d 接口电路 r t 2 4 0 1 2 8 a 内部主要是由显示面板和显示接口电路组成，液晶的 硬件连接如图3 9 所示。其中背光控制电路由s t c l 2 c 5 4 l o 的p 3 3 口 控制，p 3 3 输出低时背光灭，输出高时背光亮。 图3 9l c d 电路连接图 基丁2 4 gr f 的无线s k y p e 电话设计 3 4 4s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 键盘扫描电路 嵌入式设备上的键盘作为一种输入工具，意义重要；然而受设备 本身体积影响，手柄设计中有1 6 个输入键，分别为：数字0 9 、确 认健、取消健、上、下、左、右方向键。常用的键盘分为独立式和行 列式两种，这里采用4 4 的矩阵键盘设计，即4 行4 列。矩阵式键 盘的扫描常用编程扫描方式、定时扫描方式或中断扫描方式，矩阵键 盘的行和列直接与c p u 的i o 口相连，可以充分利用c p u 的i 0 口资 源，降低硬件和驱动设计难度，提高整个系统的稳定性，并在一定程 度上降低设备的生产成本。采用矩阵式键盘设计还可以最大限度地节 省c p u 的i o 口资源。这里用到了c p u 的8 个i o 口，其中4 个i 0 口作为中断i o 口。为了使i o 口的初始输入状态为高电平，需要在 与键盘相连的每个i 0 口上接起初始化电平作用的上拉电阻( 1 0 0 kq ) 。上拉电阻的阻值根据i 0 口端口的电流值来确定。如果相邻 i 0 口的布线过近，相邻i o 口的电平跳变可能会相互影响，导致扫 描按键不准确，这时就需要在每个i o 口上接一个滤波电容到地，减 少串扰。 vrr 图3 一l os t c l 2 c 5 4 1 0 a d 键盘电路 3 5c y 7 c 6 8 0 13 控制电路 上一章的图3 一l 表明与c y 7 c 6 8 0 1 3 需要完成1 射频模块n r f 2 4 0 1 控制；2 语音模块w 6 8 1 3 l o 控制；3 ：与p cu s b 接口；4 键盘扫描； 中职教师在职硕+ 学位论文 3 5 1c y 7 c 6 8 0 1 3 与射频模块接口电路 c y 7 c 6 8 0 1 3 与射频工c 接口电路与s t c l 2 c 5 4 1 0 a d 接口部分类同， c e 、d r l 、c l k l 和d a t a 连接到m c u 的i 0 脚，其中d r l 是用来产生 接收中断脚，需要连接到m c u 的外部中断脚。 图3 一1 1c y 7 c 6 8 0 1 3 射频电路接线图 基座部分只有两个输入键，因而不需要矩阵键盘，本节重点讨论 c y 7 c 6 8 0 1 3 与上位机u s b 连接电路，c y 7 c 6 8 0 1 3 内建的u s b 控制器通 过u s b 口与己接入因特网的p c 关联。 3 5 2c y 7 c 6 8 0 1 3 与音频模块接口电路 参考s t c l 2 c 5 4 l o a d 与射频模块接口电路，c y 7 c 6 8 0 1 3 连接方法 类同，具体连接方法如图3 1 2 所示： p b 0 f s t p b l b c l x t p b 2p c 耵 教丰音簸喻出 c y 7 c 6 8 0 1 3 弼：l x 、 隔8 1 3 1 0 p 五3p c 珏 横舣毒瓶蚧 b c l k r f s 矗 图3 1 2c y 7 c 6 8 0 1 3 与w 6 8 1 3 1 0 电路连接图 3 5 3c y 7 c 6 8 0 13 与p cu s b 接口电路 通过c y 7 c 6 8 0 1 3 内建的u s b 控制器可以与p cu s b 连接，与p cu s b 的连接是整个设计中一个重要环节。 c y 7 c 6 8 0 1 3 内建的u s b 控制器为u s b 2 o 结构，并兼容u s b l 1 ， 通过u s b 设备d + 或者d 一上连接的电阻，主u s b f 能够正确识别是高速 u s b 还是低速u s b 设备。 3 2 基于2 4 gr f 的无线s k y p el 乜话设计 图3 1 3 典型的u s b 2 0 结构电气连接图 图3 1 4c y 7 c 6 8 0 1 3 内建u s b 的结构框图 c y 7 c 6 8 0 1 3 减少了一般电路复杂的外部数据线和信号线的连接， 提高了整个数据采集系统的可靠性。c y 7 c 6 8 0 1 3 用自己的片内晶振电 路和一个外部2 4 m h z 晶振组成系统的时钟电路。它有一个片内锁相环 ( p l l ) 电路，利用p l l 可以把2 4 m h z 振荡器频率倍频至4 8 0 m h z 供收 发器使用。c y 7 c 6 8 0 1 3 内部计数器把2 4 m h z 的频率分频为内部8 0 5 1 需要的默认的1 2 m h z 的时钟频率。x t a li n 和x t a lo u t 为晶振的输 入和输出引脚，分别与晶振相连；同时，晶振的两个引脚分别通过一 个2 2 p f 的负载电容接地。d m i n u s 和d p l u s 为u s b 的d + 、d 一信号线， 分别和u s bb 型连接器的相应引脚相接。u s bb 型连接器上的v b u s 和g n d 为总线电源线，整个系统的所需要的各种电压都是通过该电源 转换而得到。s c l 和s d a 分别为1 2 c 总线的时钟线和数据线，在 c y 7 c 6 8 0 1 3 中，工2 c 控制器是漏极开路的，因此将这两个引脚分别通 过一个2 2 kq 的上拉电阻连接到3 3 v 电源上。r e s e r v e d 引脚通过一 个1 0 kq 电阻接地