[毕业设计精品]基于nRF24E1无线耳机的设计.doc

毕业设计说明书 第 1 章 绪论 1 1 1 课题的研究目的和意义 1 1 2 短距离无线通信技术的现状与发展趋势 2 1 3 关于 2 4ghz频段的历史背景 应用前景及发展现状 4 1 4 本课题要注意的主要问题 4 第 2 章 系统方案的总体设计 7 2 1 系统方案构想与确定 7 2 2 器件的选择 11 第 3 章 系统各部分硬件的设计 13 3 1 系统的总体设计 13 3 2 无线耳机nrf24e1 核心电路 13 3 2 1 nrf24e1 简介 14 3 2 2 芯片引脚功能以及结构 14 3 2 3 nrf24e1 收发器子系统 nrf2401 18 3 2 4 模数 数模转换器及电压基准源 29 3 2 5 电源管理模块 29 3 2 6 gpio 通用输入 输出 29 3 2 7 外部存储器 30 3 3 麦克风输入电路和扬声器输出电路 31 3 4 天线的设计及其与nrf24e1 的接口电路 33 3 5 pcb 板的设计 36 第 4 章 系统的软件设计 39 4 1 主程序设计 41 4 2 接收子程序模块 41 4 3 发送子程序模块 43 4 4 中断子程序模块 44 第 5 章 应用系统的调试 45 5 1 硬件的调试 45 5 2 软件的调试 45 5 3 系统联调 45 5 4 现场调试 46 kc021 1 目录 i 结论 47 致谢 49 参考文献 51 附录 53 常州工学院计算机信息工程学院毕业设计说明书 前前言言 短距离的无线通信技术在无线通信系统的实现中扮演着重要的角色 短距离无线 通信的方式有两种 红外 irda infrared data association 和无线射频技术 radio frequency 由于红外方向性强 距离短 而且不能有遮挡物 所以很难推广应用 射 频技术因为功耗低和无方向性等优点而受到青睐 目前世界上流行的蓝牙技术 bluetooth 是一种开放性短距离无线通信技术标准 它就是一种无线射频技术 但 是 与普通的射频技术相比 蓝牙技术很难满足快速开发和低成本的要求 首先 蓝 牙技术复杂度高 因为蓝牙的传输量较大 往往几百 kbps 而普通射频技术的传输量 在 100kbps 以内 因此蓝牙硬件设计 软件及其协议编程不但复杂而且昂贵 而且 蓝牙成本高 只有大批量时才有可能降为 5 美元 片 而无线射频芯片一般在 3 美元以 下 因此普通无线射频可实用 经济地实现无线通信 蓝牙很少有实用的例子 一般 只多见于手机和 pc 之间的通信 而某些无线射频芯片已经广泛投入了实用 如汽车 的安全系统 无线身份识别卡 无线抄表 饭店中的无线传感器 无线鼠标 机器宠 物 遥控器 键盘等 它们具有低成本 低功耗 能够快速开发应用的特点 来实现 设备的无线连接 本课题研究开发的无线耳机 可以应用在许多方面 比如手机上用无线耳机接听手 机电话 省却了耳机电线 同时免除了存在争议的手机辐射问题 还可以用于智能系统 中的无线通信 比如近几年盛行的足球机器人比赛 机器人之间为了配合而互相通信以 及主机为了作全局指挥与机器人之间的通信就需要无线耳机 所以我们相信无线耳机是 有很宽广的市场前景的 本论文首先介绍了无线通信技术的现状与发展趋势 并对 2 4ghz 频段的历史背景 进行了探讨 接下来分别对该系统的硬件设计和软件设计进行了详细介绍 最后给出了 代码 焊接了 pcb 板 并测试了系统性能 第 1 章 绪论 1 第第 1 1 章章 绪绪论论 1 1 1 1 课课题题的的研研究究目目的的和和意意义义 崇尚自由的人类都会有向往自由 并且追求自由的潜在天性 美国的山姆大叔把 自由女神 当作它们国家的象征 无数英雄儿女前赴后继就是为了 自由 这两个字 人类为了自由不断追求着摆脱空间或者时间的束缚和局限 对于处于社会中人类个体 或者群体来说 交流就是作为主体的行为 但是在遥远的过去 由于时间空间的限制 很难进行远距离的信息交换 给当时人类的社会行为造成很大的不便 追求自由的人 们为此进行了不懈的努力 自由的理念体现了在人类的设计天赋中 从最初单调的信 件联络到后来的电报 到后来的有线语音电话 无一不渗透着人们渴望摆脱客观限制 所作的努力 这个历程显然没有结束 通信电缆渐渐地成为了人们心中的绊脚石 有 没有能够取代那些冗长的电缆的技术呢 经过几十年的探索和努力 电报从有线到无 线 电话从有线到无线 网络从有线到无线 如今 一张人们描画已久的蓝图已经在 面前展示 遥远阿尔卑斯的窗景 仿佛就在眼前 你的声音随电波信号穿越大洋 无论何 地都能触及到天涯一角的知己 这就是无线通信给我们带来的惊喜 短距离的无线通信技术在无线通信系统的实现中扮演着重要的角色 短距离无线 通信的方式有两种 红外 irda infrared data association 和无线射频技术 radio frequency 由于红外方向性强 距离短 而且不能有遮挡物 所以很难推广应用 射 频技术因为功耗低和无方向性等优点而受到青睐 目前世界上流行的蓝牙技术 bluetooth 是一种开放性短距离无线通信技术标准 它就是一种无线射频技术 但 是 与普通的射频技术相比 蓝牙技术很难满足快速开发和低成本的要求 首先 蓝 牙技术复杂度高 因为蓝牙的传输量较大 往往几百 kbps 而普通射频技术的传输量 在 100kbps 以内 因此蓝牙硬件设计 软件及其协议编程不但复杂而且昂贵 而且 蓝牙成本高蓝牙成本高 蓝牙只有大批量时才有可能降为 5 美元 片 而无线射频芯片 一般在 3 美元以下 因此普通无线射频可实用 经济地实现无线通信 蓝牙很少有实 用的例子 一般只多见于手机和 pc 之间的通信 而某些无线射频芯片已经广泛投入 了实用 如汽车的安全系统 无线身份识别卡 无线抄表 饭店中的无线传感器 无 线鼠标 机器宠物 遥控器 键盘等 它们具有低成本 低功耗 能够快速开发应用 的特点 来实现设备的无线连接 本课题研究开发的无线耳机 可以应用在许多方面 比如手机上用无线耳机接听 手机电话 省却了耳机电线 同时免除了存在争议的手机辐射问题 还可以用于智能 系统中的无线通信 比如近几年盛行的足球机器人比赛 为了使机器人之间进行通信 以形成配合 使主机与机器人之间进行通信以便于实时指挥 无线耳机无疑提供了良 好的通信途径 所以我们相信无线耳机是有很宽广的市场前景的 常州工学院计算机信息工程学院毕业设计说明书 1 1 2 2 短短距距离离无无线线通通信信技技术术的的现现状状与与发发展展趋趋势势 随着移动通信需求和远程数据采集量的增加 加之有线传输的费用日益增长 人 们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性 在过去的几年中 无线通讯 领域取得了很大的进展 这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步 低功耗电 路 高能电池以及微电子技术的采用 以上诸多方面的发展使移动通信设备更加灵巧 经济 可靠 与上述技术一样 数字通信技术和数字调制技术的发展也发挥了很大的 作用 他们使无线通信网络向更加经济 更加容易操作的方向发展 所以如果我们能 够很好地了解无线通信的基本原则以及这些技术的特点 就能更好地理解并完成传感 数据的无线采集 无线数据通信技术可分为两大类 一是基于蜂窝的接入技术 如蜂 窝数字分组数据 cdpd 通用分组无线传输技术 gprs edge 等 二是基于局域 网的技术 如 ieee802 11 wlan bluetooth irda home rf 微功率短距离无线 通信技术等 与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络 如蜂窝移动通信网 相 比 短距离无线通信系统在基本结构 服务范围 应用层次及通信业务 数据 话音 上 均有很大的不同 1 红外通信技术 irda 1 2 红外通信技术 irda infrared data association 采用人眼看不到的红外线传输信息 是使用最广泛的短距离无线通信技术 它利用红外线的通断表示计算机中的0 1 逻辑 通常有效作用半径 2 米 传统速度可达 4 mbit s 1995 年 irda 将通信速率扩展到的 高达 16mbit s 红外技术采用点到点的连接方式 发射 接收具有方向性 具有体积 小 功耗低 连接方便 简单易用 数据传输干扰少 速度快 保密性强 成本低廉 的特点 因此广泛应用于各种遥控器 笔记本电脑 pda 个人数字助手 移动电话 等移动设备 但红外技术只是一种视距传输技术 有效距离近 发射角度较小 一般 不超过 20 度 两台相互通信的设备之间必须对准 而且传输数据时两台设备之间不能 有阻挡物 只能限于两台设备通信 无法灵活构成网络 且无法用于边移动边使用的 设备 另外 irda 设备中的核心部件 led 易磨损 2 蓝牙技术 bluetooth 3 蓝牙技术使用全球统一开放的 2 4ghz 的 ism 频段 采用跳频扩频 fhss 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网 piconet 多个微微网之间也可以 形成分布式网络 scatternet 从而方便 快速的实现各类设备之间的通信 蓝牙技术 作为一种新兴的技术 主要具有以下特点 规范的开放性 产品的互操作性及兼容性 公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络 蓝牙技术目前只是一种行业联盟制 定的短距离无线通信规范 3 ieee802 11b wi fi 1 ieee802 11b 技术标准是无线局域网的国际标准 使用 2 4ghz 的 ism 频段 采 第 1 章 绪论 3 用直接序列扩频 dsss 技术进行调制解调增强了抗干扰能力 提高了传输速度 802 11b 无线网络的最大优点是兼容性 只要在原有网络上装上 ap access point 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 802 11b 具有有线等价保密机制 wep wired equivalentprivacy 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 wi fi 标准正在制定之中 速度更快的 802 11g 使用与 802 11b 相同的正交频分 多路复用 ofdm 调制技术 同样工作在 2 4ghz 频段 速率达 54 mbit s 比目前 通用的 802 11b 快了 5 倍 并且完全向后兼容 802 11b 802 11g 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 wi fi 标准 802 11n 可望达到 100 mbit s 4 微功率短距离无线通信技术 1 近年来 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 fsk 调制方式 工作于 ism 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 当今 全球无线通信产业主要体现出两个特点 一是公众移动通信保持增长态势 强劲 但也存在发展不均衡的现象 具统计 2003 年全球移动用户数增长率在 17 以上 在市场值方面 比上年增长了 11 3 以上 尽管全球移动市场在增长 但这种 增长也呈现出很大的不均衡性 从用户数来看 在北美 欧洲等发达国家和地区 由 于移动用户普及率已经很高 因此新增用户数日益减少 而在亚洲 非洲等地区移动 用户数增长迅猛 从用户创造的价值来看 欧美发达国家的 arpu 值远远超过了新兴 的发展中国家 二是宽带无线通信热点技术研究和应用十分活跃 目前 我国的移动 通信市场呈现持续快速增长的局面 移动用户总数达到 4 亿左右 用户普及率达到 30 左右 所以 我国移动通信用户普及率相对还比较低 仍有相当巨大和持久的增 长空间 除传统的公众移动通信外 全球的宽带无线接入领域近期研究和应用十分活跃 常州工学院计算机信息工程学院毕业设计说明书 热点不断出现 这包括 mmds 技术 wlan 技术 wimax 技术等等 呈现百花齐 放的局面 这些技术的出现和发展 给整个无线通信产业注入了勃勃生机 1 1 3 3 关关于于 2 2 4 4g gh hz z 频频段段的的历历史史背背景景 应应用用前前景景及及发发展展现现状状 一般来说 无论组织或个人 希望使用某一频段进行无线通信 都必须向当地政 府申请许可证 license 并交纳一定的管理费用 但有三个频段是例外 fcc federal communications commission 美国联邦通信委员会 指定了三个频率段为无需许可证 的频段 称为 ism industrial scientific and medical 工业 科学 医学 频段 1 2 这三个频段分别为 uhf 902 928mhz s band 2 40 2 4835ghz c band 5 725 5 875ghz 事实上 这几个频段本来并非为无线通信而设的 设立这几个频段的本意是 允 许一些工业产品 科学仪器和医学设备在这些规定的频段发出一些射频能量 由于限 定频段 这些设备在工作中发射出的一些射频信号就不会影响到其它频段的无线设备 后来 由于 dsss direct sequence spread spectrum 直接序列扩频 与 cdma code division multiple access 码分多址 技术的应用 使得各无线设备共用 一个频段而不相互干扰成为可能 于是 fcc 决定开放此频段 并且规定使用 ism 频 段无需使用许可证 这也就意味着无需向政府申请频段并为之付费 因此 虽然 fcc 同时规定了使用 ism 频段的很多限制 如发射功率不得超过 1 瓦等 但由于 此频段免费 使得它受到了各无线设备厂商的欢迎与大力支持 基于 ism 频段的无线 设备层出不穷 在这三个 ism 频段中 以 2 4ghz 频段最受瞩目 这是因为 虽然 fcc 规定这三 个 ism 频段为无需许可证频段 但各国对频段的利用情况不尽相同 只有 2 4ghz 这 一频段是国际公认的无需许可证频段 换句话说 基于此频段的无线设备可以在大部 分国家通用 因此学术界和工业界对此频段都格外重视 近期十分热门的 wlan wireless local area network 无线局线网 就是基于此频段的 世界各主要国 家 地区 对 2 4ghz 扩频设备的频段分配情况见表 1 1 1 1 4 4 本本课课题题要要注注意意的的主主要要问问题题 本课题所研究的基于 nrf24e1 的无线耳机是短距离无线通信的一个应用 无线耳机在设计上有两个特 点 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 第 1 章 绪论 5 品中在守候状态时应使电源间歇脉冲供电 表 1 1 世界主要国家 地区 对 2 4ghz 扩频设备的频段分配 组 国家 地区 允许的频段 ghz 备注 标准 1 美国 加拿大 阿根廷 巴西 巴拿 马 巴拉圭 智利 哥伦比亚 秘鲁 越南 马来西亚 新加坡 新西兰 菲律宾 中国香港 中国台湾 印尼 委内瑞拉 乌拉圭 泰国 等 2 400 2 4835 最大输出功率 1w 最 大有效各向同性辐射功 率 eirp 4w fcc 15 247 rss 210 2 奥地利 比利时 捷克 瑞典 丹麦 芬兰 德国 希腊 匈牙利 冰岛 爱尔兰 意大利 卢森堡 波兰 葡 萄牙 荷兰 南非 瑞士 英国 土 耳其 等 2 400 2 4835 最大 eirp 100mw ets 300 328 3澳大利亚2 400 2 4835 2 400 2 445ghz 间允许 最大功率 1w 2 445gh 以上允许最大 功率 200mw fcc 15 247 4韩国 2 400 2 4835有特殊限制ets 300 328 5法国 ets 300 328 6 西班牙2 445 2 475ets 300 328 7以色列2 418 2 457 ets 300 328 8 日本2 471 2 497 9沙特阿拉伯 2 446 2 4835ets 300 328 10 墨西哥2 450 2 4835有特殊限制nom 121 常州工学院计算机信息工程学院毕业设计说明书 第 2 章 系统方案的总体设计 7 第第 2 章章系系统统方方案案的的总总体体设设计计 2 2 1 1 系系统统方方案案构构想想与与确确定定 从表 1 1 中我们可以看出 大多数国家都认可 2 4000ghz 2 4835ghz 为免许可证 频段 本系统考虑到国际通用性 决定采用此频段进行无线通讯 应用于 2 4ghz 频段的技术主要有 dsss direct sequence spread spectrum 直接序 列扩频 和 fhss frequency hopping spread spectrum 跳频扩频 4 5 直序扩频技术将实际传送的数据加在一个事先定义的伪随机码中发送 发送的信 号扩展在很宽的频带上 方法是对一直序扩频代码进行相干或差分相干二进制相移键 控调制 每一代码 c 由 n 位码片 chip 组成 假设用 16 位码片来表示一位代码 c 1 kbps 的数据基带扩成 16kbps 则扩频 16 倍 数据速率高了 n 倍 带宽也就宽 了 n 倍 在接收端 接收机从噪声中滤出信号 把信号还原到原来很窄的带宽上 跳频技术与直序扩频技术完全不同 是另外一种意义上的扩频 跳频的载频受一 个伪随机码的控制 在其工作带宽范围内 其频率合成器按 pn 码的随机规律不断改 变频率 在接收端 接收机的频率合成器受伪随机码的控制 并保持与发射端的变化 规律一致 跳频是载波频率在一定范围内不断跳变意义上的扩频 而不是对被传送信 息进行扩谱 不会得到直序扩频的处理增益 跳频相当于瞬时的窄带通信系统 基本 等同于常规通信系统 由于无抗多径能力 同时发射效率低 同样发射功率的跳频系 统在有效传输距离内小于直扩系统 跳频的优点是抗干扰 定频干扰只会干扰部分频 点 用于语音信息的传输 当定频干扰只占一小部分时不会对语音通信造成很大的影 响 基于 dsss 的协议主要有 802 11b 即无线局域网的通信协议 等 本来此系统准 备采用 dsss 模拟无线局域网的通讯方式进行无线通讯 但由于基于 dsss 技术的 无线收发芯片在零售市场很难买到 因此 最后我们放弃了这一方案 改用基于 fhss 的无线收发芯片 基于 fhss 的技术较多 较有名的有蓝牙 bluetooth homerf 和 nordic 公司的 nrf 事实上 nrf 并不是一种协议 只是由于其 nordic 公司的 nrf 芯片应 用十分广泛 因此在此与 bluetooth 和 homerf 等协议相提并论 由于市面上尚无 基于 homerf 的收发芯片 下面仅将蓝牙与 nrf 作比较 如表 2 1 经过这样的比较我们决定采用 nrf 方案 于是我们就开始寻找适合的射频收发模 块的芯片 nordic 公司是挪威一家生产无线通信芯片的公司 其产品在国内引进后 得到了 众多厂家的青睐 其产品技术新颖 性价比高 我们所要开发的这款无线耳机最重要的部分就是无线收发模块 我们的最初方案 使用 nordic 公司的 nrf2401 这块无线收发芯片进行研究 常州工学院计算机信息工程学院毕业设计说明书 表 2 1 蓝牙与 nrf 的比较图 方 案 硬件设计 接口方式编程 通信速 率 通信距离 蓝 牙 方 案 由多个芯片组成 由发射接 收处理 基带处理等多个芯 片组成 硬件较复杂 复杂 时序要求 严格 通信协议和软件堆 栈复杂 需要较长 时间熟悉 300 400kbps 10 米 nrf 方 案 高频电感和滤波器等已全部 内置 所需外围元件较少 简便 只需和单 片机 i o 口或 spi 口相连 编程较方便1m bps 室内约 30 50 米 室外约 80 200 米 nrf 方案集成了内部 rf 和 基带处理 真正的单片化 设计调试容易 成本低 nrf 较方便 nrf 方案开发周期 短 nrf 速 率较高 更适合 多频道 的语音 传输 nrf 距离 更远 更 适合无线 通信系统 该芯片的高集成度解决了在模拟和数字混合设计中的很多困难 同时 参考设计 还支持两种不同的天线技术 其中一款设计采用环行天线 直接在 pcb 上用铜铂实 现 该天线设计具有体积和重量小 成本低的优势 另外一种设计支持嵌入式高增益 天线 有效扩大了系统的覆盖距离 该参考设计 已经为无线远程抄表 汽车双向遥控 防盗控制和无线计算机外设的设计提供了很好的设计模板 降低 了设计开发周期和成 本 nrf2401 是真正单片无线收发器 它是半双工收发芯片 也就是说 在发射信号 的时候不能同时接收 但是由于间隔时间非常短暂以致人耳听不出来 所以完全不会 影响人们的正常通讯 而且 它工作于 2 4 2 5ghz ism 频段 该频段是全球免费通 用频段 该芯片内置频率合成器 功率放大器 晶体振荡器和调制器等功能模块 输 出功率和通信频道可通过程序进行配置 芯片能耗非常低 以 5dbm 的功率发射时 工作电流只有 0 5ma 接收时工作电流只有 18ma 多种低功率工作模式 节能设计 更方便 其 duoceivertm 技术使 nrf2401 可以使用同一天线 同时接收两个不同频 道的数据 nrf2401 适用于多种无线通信的场合 如无线数据传输系统 无线鼠标 遥控开锁 遥控玩具等 nrf2401 内置地址解码器 先入先出堆栈区 解调处理器 时钟处理器 gfsk 滤波器 低噪声放大器 频率合成器 功率放大器等功能模块 需要很少的外围元件 因此使用起来非常方便 见图 2 1 qfn24 引脚封装 外形尺寸只有 5 5mm 基 本上符合无线耳机的内置芯片的外形要求 芯片引脚功能表见附录表 7 第 2 章 系统方案的总体设计 9 值得关注的是 nrf2401 的收发方式 它有两种收发模式 shockbursttm 收发方 式和直接收发方式 shockbursttm 收发模式下 使用片内的先入先出堆栈区 数据低速从微控制器送 入 但高速 1mbps 发射 这样可以尽量节能 因此 使用低速的微控制器也能得到很 高的射频数据发射速率 与射频协议相关的所有高速信号处理都在片内进行 这种做 法有三大好处 尽量节能 低的系统费用 低速微处理器也能进行高速射频发射 数 据在空中停留时间短 抗干扰性高 nrf2401 的 shockbursttm 技术同时也减小了整 个系统的平均工作电流 4 图 2 1 nrf2401 功能模块 1 在 shockbursttm 收发模式下 nrf2401 自动处理字头和 crc 校验码 在接收数据时 自动把字头和 crc 校验码移去 在发送数据时 自动加上字头 和 crc 校验码 当发送过程完成后 数据准备好引脚通知微处理器数据发射完毕 2 在直接收发模式下 nrf2401 如传统的射频收发器一样工作 直接发送模式接口引脚为 ce data 当微控制器有数据要发送时 把 ce 置高 nrf2401 射频前端被激活 所有的射频协议必须在微控制器程序中进行处理 包括字头 地址和 crc 校验码 直接接收模式接口引脚为 ce clk1 和 data 常州工学院计算机信息工程学院毕业设计说明书 一旦 nrf2401 被配置为直接接收模式 data 引脚将根据天线接收到的信号开始 高低变化 由于噪声的存在 clk1 引脚也开始工作 一旦接收到有效的字头 clk1 引脚和 data 引脚将协调工作 把射频数据包以 其被发射时的数据从 data 引脚送给微控制器 这头必须是 8 位 dr 引脚没用上 所有的地址和 crc 校验必须在微控制器内部进行 将以上两种模式比较后 我们认为节能而且又不占用 cpu 的 shockbursttm 突 发脉冲 模式是符合我们设计要求的 6 决定使用 nrf2401 作为收发模块的最重要的原因还有一个那就是 nordic 公司今 年最新推出的的 nrf24e1 无线收发芯片 它集成了 8051 兼容单片机 一个 9 个通道 的 a d 转换控制器和 2 4ghz 的 nrf2401 无线收发芯片 nrf24e1 只支持 nrf24e1 的 shockbursttm 收发方式 不支持直接收发方式 我们之前既然已经采用了 shockbursttm 突发脉冲 该问题不予考虑 nrf24e1 适用于各种无线设备的短距离互连应用场合 工作于 ism 工业 科学 和医学 频段 该器件有 125 个频点 能够实现点对点 点对多点的无线通信 同时 可采用改频和跳频来避免干扰 我们在最终设计中确定所有功能后可以为了进一步地节约空间将外部存储器 eeprom25320 省略掉 换以将程序固化在 nrf24e1 内部 更大限度地缩小外围空间 而且体积小的无线耳机就可以取代现在市场上出售的那种手机上附带的有线耳机 更 方便地达到防手机辐射的效果 最终我们确定用两块带 2 4ghz 无线收发器 nrf2401 和增强型 8051 内核的无线收 发模块来作为我们无线耳机的主要部件 以下为无线耳机硬件设计原理图 图 2 2 无线耳机硬件设计原理图 整个运行过程为 用户从麦克风传播模拟音频信号 经过滤波和放大再由a d 转 换器将模拟信号转化为数字信号 由 8051 控制 rf 收发器发出信号从天线发出 由另 一个无线耳机的天线接收 同样由该耳机的 8051 微控制器控制 rf 前端接收 再通过 d a 转换器转换为模拟信号再由扬声器 耳机 播出 在第三章我们将从电路设计的角度来分析硬件的设计 第 2 章 系统方案的总体设计 11 2 2 2 2 器器件件的的选选择择 经过前面方案的讨论 我们最终使用的器件也已经决定 1 无线收发芯片我们选择 nrf24e1 5 nrf24e1 收发器是 nordic vlsi 推出的系统级芯片之一 采用先进的 0 18 s cmos 工艺 6mm 6mm 的 36 引脚 qfn 封装 以 nrf2401 02 芯片结构为基础 将 射频 8051mcu 9 输入 12 位 adc 125 通道 uart 通用异步收发器 spi pwm rtc 实时计数器 wdt 看门狗定时器 全部集成到单芯片中 内 部有电压高速器 工作电压 1 9 3 6v 和 vdd 电压监视 通常开关时间小于 200 s 数据速率 1mbps 输出功率 0dbm 不需要外接 saw surface acoustic wave 滤波器 是目前世界首次推出的 全球 2 4ghz 通用的 完善的低成本射频系 统级芯片 该芯片将在第三章作详细介绍 2 用于演示使用的 demo 板我们选用的 eeprom 为 at25320 它的芯片引脚图如图 2 3 所示 图 2 3 eeprom25320 的引脚图 该芯片的引脚功能如表 2 2 所示 表 2 2 25320eeprom 引脚功能表 引脚名称功能描述 cs片选 sck串行时钟 si串行输入 so串行输出 wp页面写保护 hold保持请求信号输入 vcc电源 gnd接地 关于该 eeprom 的使用将在第三章作介绍 常州工学院计算机信息工程学院毕业设计说明书 第 3 章 系统各部分硬件的设计 13 第第 3 章章系系统统各各部部分分硬硬件件的的设设计计 3 3 1 1 系系统统的的总总体体设设计计 图 3 1 硬件设计原理图 如图 3 1 所示 该无线耳机系统主要模块就是 nrf24e1 这块无线收发芯片 它的内 部集成了无线收发芯片 nrf2401 8051 兼容 cpu a d 转换器 gpio 通用输入 输 出 电源管理模块 还附带有 pwm 脉冲宽度调节器 spi 串行外设接口 看门 狗 wut wake up timer 唤醒定时器 rc 振荡器 外围部件主要有外部存储器晶振 bias 偏压电阻器 25320eeprom 天线 耳机以及扬声器 6 8 9 无线耳机的工作过程我们已经在第二章第一小节提过 在这一章 我们从电路的 角度来剖析一下系统的硬件构成 用以解释无线耳机的工作过程是如何实现的 首先给出以无线收发芯片 nrf24e1 为中心的核心电路 而后给出了麦克风输入电 路和扬声器输出电路 最后描述了一下天线与 nrf24e1 的接口电路 3 3 2 2 无无线线耳耳机机 n nr rf f2 24 4e e1 1 核核心心电电路路 图 3 2 nrf24e1 核心电路图 图 3 2 是该无线耳机设计的核心电路 2 常州工学院计算机信息工程学院毕业设计说明书 该电路图中 以 nordic 公司开发的无线收发芯片 nrf24e1 为核心 j2 用来作为 eeprom 与 nrf24e1 之间通信的 usb 插口 由于并没有用到该插口 的所有引脚 该外围器件的面积可以适当缩小 当程序固化在芯片内部即不需要 eeprom 的时候 该外围器件可以被省略 电阻 r26 r27 与 r28 用来减小通到 eeprom 引脚上的电流 防止 nrf24e1 读 入 eeprom 中程序时电流过大导致发热过多将其烧坏 电阻 r22 与 r23 分别与 p0 2 以及 p0 1 连接 通过分压决定了每块板的主从功能 其中的电容 c1 c14 都是为了滤去电路板引起的杂波 以减小无线耳机通信时由于 传输环境造成的杂音 最右边的粗黑线是环形天线 射频将语音信号通过天线传播出去由另外一个无线耳 机收发系统的天线接收 关于天线的介绍我们将在本章节的第四节给出详细的介绍 在该电路中 可以清楚地看到该电路的核心芯片是位于电路中心的 nrf24e1 它 是无线耳机系统的无线收发芯片 我们已经在第二章将它与其他方案进行了比较 解 释了最终选用这块芯片的具体原因 在接下来的这一节我们将从这块芯片的引脚和功 能出发对这块芯片作详细的介绍 通过本节 大家对 nrf24e1 这块芯片应该会有系统 的认识 并借此理解它实现无线耳机功能的原理 3 3 2 2 1 1 n nr rf f2 24 4e e1 1 简简介介 nrf24e1 收发器是 nordic vlsi 推出的系统级芯片之一 采用先进的 0 18 cmos 工艺 complementary metal oxide semiconductou 集成在金属氧化物的 半导体材料上 6mm 6mm 的 36 引脚 qfn quad flat non leaded package 四侧无引 脚扁平封装 以 nrf2401 02 芯片结构为基础 将射频 nrf2401 增强型 8051mcu 微处理器 9 输入 aref ain0 ain7 12 位 adc 模数 数模转换器 125 通道 uart universal asynchronous receiver transmitter 通用异步收发器 spi 串行外设接口 pwm 脉冲宽度调节器 rtc real time clock 实时时钟 wdt watch dog timer 看门狗定时器 全部集成到单芯片中 可工作在低电压 1 9 3 6v 下 待机电流可低至 2 a 同时器件还带有唤醒定时器 不需要外接 saw 滤波器 是目前世界首次推出的 全球 2 4ghz 通用的 完美的低成本射频系统 级芯片 该芯片的外围元件只有一个晶振和一个偏置电阻 nrf24e1 nrf24e2 适用于 无线耳机 无线鼠标和键盘 无线手持终端 无线频率识别 数字视频 遥控和汽车 电子及其它短距离无线高速应用 3 3 2 2 2 2 芯芯片片引引脚脚功功能能以以及及结结构构 1 芯片的引脚功能 第 3 章 系统各部分硬件的设计 15 nrf24e1 采用 36 脚 qfn 6 6mm 封装 其引脚排列如图 3 3 所示 各引脚功 能如下 nrf24e1 有 11 个数字 i o 引脚 由 p0 口 dio2 dio9 和 p1 口 dio0 dio1 din0 组成 除了 din0 只能用于输入外 其余都是双向引脚 而 且大部分数字 i o 有复用功能 p0 口各个引脚的复用功能如表 3 1 所列 表 3 1 p0 口引脚的复用功能 引脚p0 7 dio9 p0 6p0 5p0 4 复用功能pwmt1t0int1 引脚p0 3p0 2p0 1p0 0 dio2 复用功能int0txdrxdgpio 此外 p0 口还有两个控制寄存器 p0 alt 和 p0 dir 其中 p0 alt 的控制优先 级高于 p0 dir 设计时可以通过设定 p0 alt 来决定哪些引脚使用复用功能 没有选 用复用功能的引脚则为 gpio 通用接口 而可用 p0 dir 来设置这些 p0 口是输入还 是输出 常州工学院计算机信息工程学院毕业设计说明书 图 3 3 nrf24e1 芯片引脚图 p1 口只有 3 个引脚 可设为 spi 接口或 gpio nrf24e1 使用 spi 时 只能作为 主机 spi 接口的引脚功能如下 p1 2 din0 串行数据输入脚 p1 1 din1 串行数据输出脚 p1 0 dio0 串行时钟引脚 nrf24e1 带有 9 个模拟输入引脚 其中 ain0 ain7 为 adc 的 8 路模拟输入 aref 为 adc 参考电压 此外 该器件还有 2 个天线接口引脚 ant1 和 ant2 以及 两个晶振引脚 xc1 和 xc2 nrf24e1 必须用高精度的晶振 为了支持 1mbit s 的传输速率 设计时还必须采 用 16mhz 以上的晶振 nrf24e1 的其它引脚还有 12 个 其中 iref 用于连接外部偏置参考电阻 aref 用来连接外部参考电压 其余为电源和接地脚 2 内部结构 9 从芯片的内部结构图 3 4 可以看出 nrf24e1 内有增强型 8051 内核 无线收发器 nrf2401 9 路 100kbps s 的 10bit 模数转换器 uart 异步串口 spi 接口 pwm 输 出 rc 振荡器 看门狗和唤醒定时器 此外 nrf24e1 还内置了专门的稳压电路 1 微处理器 nrf24e1 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 nrf24e1 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 12 48 个时钟周期 nrf24e1 比工业标准 8051 增加了 adc spi rf 接收器 1 rf 接收器 2 唤醒定时器 5 个中断源 以及 3 个与 8051 一样的定时器 nrf24e1 内含 1 个与 8051 相同的 uart 在传统的异步 通信方式下 可用定时器 1 和定时器 2 作为 uart 的波特率发生器 为了便于和外部 ram 区进行数据传递 nrf24e1 的 cpu 还集成 2 个数据指针 nrf24e1 微控制器的 时钟直接来源泉于晶振 微处理器中有 256 字节的数据 ram 和 512 字节的 rom 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 个 4kb 的 ram 中 这个 4kb 的 ram 也可作存储数据用 如果应用当中不用掩膜 rom 也即内含的 rom 程序代码必 须从外部非易失性存储器中加载 比较常见的是通过 spi 接口扩展型号为 25320 的 eeprom 该 eeprom 的引脚功能已经在第二章作过介绍 为了控制一些标准 8051 没有的功能 nrf24e1 增加了一些特殊功能寄存器 如 radio p2 adccon adcdatah adcdatal adcstatic pwmcon pwmduty 等 其 p0 和 p1 也和标准 8051 有所不同 其它的特殊功能寄存器与标准 8051 相同 详细 第 3 章 系统各部分硬件的设计 17 的情况可以参照附录 sfr 寄存器表 图 3 4 nrf24e1 功能模块图 2 pwm 脉冲宽度调节器 和 spi 同步串行外设 接口 nrf24e1 具有一个可编程控制的 pwm 输出 使用时 通过程序改变 dio9 即 p0 9 的功能 并可编程决定 pwm 工作于 6 位 7 位或 8 位 spi 串行外设接口 的 3 个口与 gpio 通用接口 din0 dion0 和 dion1 和 rf 收发器重用 spi 硬件不产生任何片选信号 通常用 gpio 的位 p0 口 作为 外部 spi 设备的片选口 3 rtc 唤醒定时器 wtd 看门狗 和 rc 振荡器 nrf24e1 内有一个低功耗的 rc 振荡器 该振荡器不能禁止 当 vdd 1 8v 时 其连续工作 rtc 唤醒定时器和 wtd 看门狗 为 2 个 16 可编程定时器 它们的工 作时钟为 rc 振荡器的 lp osc 唤醒定时器和看门狗的定时时间约为 300 s 80ms 默认值为 10ms 为了提高系统的可靠性 常使用硬件 看门狗 电 路 它具有上电使单片机自动复位 允许人工随时手动复位 自动监视系统 掉电 等电源故障及程序跑飞使单片机自动复位的系统监视功能 4 a d 转换器 nrf24e1 内有 9 通道 10 位 adc 线性转换时间为每 10 位 48 个 cpu 指令周期 a d 转换器的 9 个输入可通过软件进行选择 通道 0 7 可以把对应引脚 ain0 ain7 上的电压值转换为数字值 通常 8 用于对 nrf24e1 工作电压的监控 a d 转换器默认 工作于 10 位方式 可通过软件使其工作于 6 位 8 位或 12 位方式 常州工学院计算机信息工程学院毕业设计说明书 5 无线收发器 nrf24e1 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 nrf2401 相同的功能 其实我们设计的时候就单独把该功能看作了一个独 立的芯片 nrf2401 该芯片在第二章第一部分就作过详细的介绍 duoceiver 接收器 输出的数据准备信号 可通过程序使其为微处理器的中断或通过 gpio 口传给 cpu nrf2401 工作于全球开放的 2 4 2 5ghz 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 可通过对特殊功能豁口 radio 0 xa0 编程进行控制 发射模式下 射频电流消耗 仅为 10 5ma 接收模式下为 18ma 为了节能 可通过程序控制收发器的开 关 通过 pwr up ce 和 cs 三个控制引脚 可以设置 nrf2401 的工作方式 pwr up 1 ce 1 cs 0 为收发方式 pwr up 1 ce 0 cs 1 为配置方式 pwr up 1 ce 0 cs 0 为空闲方式 pwr up 0 时关机 该部分将在下面就给 出详细的分析和研究 3 3 2 2 3 3 n nr rf f2 24 4e e1 1 收收发发器器子子系系统统 n nr rf f2 24 40 01 1 nrf24e1 无线收发芯片 它集成了 8051 兼容单片机 一个 9 个通道的 a d 转换 控制器和 2 4ghz 的 nrf2401 无线收发芯片 下面就 nrf2401 无线收发芯片作详细的 介绍 8 10 1 radio port 无线发射端口 使用 8051 的 p2 口 发送器时受 radio port 控制 发射端口使用的是标准 8051 的 p2 端口 尽管无 线收发器是片上 端口不是双向的 为了匹配无线收发器子系统的需要 端口的默认 值与标准 8051 的端口值是不同的 发射器受控于特殊功能寄存器 radio 和 spi ctrl 地址分别为 0 xa0 0xb3 详细地址请见附录表 6 表 3 2 就给出了该 nrf2401 无线收发芯片的 控制寄存器 表 3 2 nrf2401 2 4ghz 子系统控制寄存器 地址读 写位数初始值名字功能 0 xa0读 写880radio接口到无线发送器子系统 nrf2401 通用 目的输入输出 0xb3读 写20spi ctrl00 spi 不使用 00 spi 连接到端口 p1 10 spi 连接到 nrf2401 通道 1 11 spi 连接到 nrf2401 通道 2 第 3 章 系统各部分硬件的设计 19 radio 寄存器的位数连接到 nrf24e1 信号匹配引脚 各位数功能如表 3 3 所示 表 3 3 radio 寄存器 radio 寄存器连接 nrf2401 发送器上的引脚名 read 7 0 不使用 6 dr2 接收器 2 的数据就绪dr2 5 clk2 接收器 2 的时钟clk2 4 dout2 来自接收器 2 的数据dout2 3 0 不使用 2 dr1 接收器 1 的数据就绪dr1 1 clk1 接收器 1 的时钟clk1 0 data 来自接收器 1 的数据data radio 寄存器连接 nrf2401 发送器上的引脚名 write 7 pwr up 射频芯片上的电源pwr up 6 ce 激活接收和发送模式ce 5 clk2 接收器 2 的时钟clk2 4 没有使用 3 cs 片选配置方式cs 2 没有使用 1 clk1 接收器 1 数据出入的时钟clk1 0 数据 配置或者 发送数据输入data 注 sfr 0 xa0 默认初始值为 0 x80 radio 寄存器与通过 spi 接口到 nrf24e1 的连接如图 3 5 所示 常州工学院计算机信息工程学院毕业设计说明书 图 3 5 发送器接口电路 nrf24e1 收发器的收发任务由 radio 口控制 radio 口使用标准 8051 中的 p2 口地址 由于射频收发器是片内置的 并不是双向工作 为了满足射频收发子系统的 需要 radio 口的默认值与标准 8051 的 p2 默认值也不一样 收发器由特殊功能寄存器中的 radio 0a0h 和 spi ctrl 0b3h 控制 spi ctrl 00b 时 spi 没用