2.4GHZ无线数字音频芯片NRF24Z1Z及其应用.pdf

沈阳单片机开发网 帮您精确掌握电子器件的使用细节 2 4GHz 无线数字音频芯片 nRF24Z1 及其应用 2 4GHz 无线数字音频芯片 nRF24Z1 及其应用 作者 郑启忠 朱宏辉 摘 要 nRF24Z1 是 Nordic 半导体公司推出的 2 4GHz 无线数字音频收发芯片 本文介绍 了用 nRF24Z1 组成音频系统的基本框架 详细阐述了该芯片的音频发射器 音频 接收器 音频输入接口 音频输出接口 芯片控制接口和中断输出等模块的结构 分析了射频协议 射频初始化方法和跳频通信方法 并给出应用电路原理图和讲 述 PCB 制板的经验 在文章的最后 对全文进行了总结 关键词 射频 nRF24Z1 无线通信 音频 应用 1 引言 1 引言 nRF24Z1 是挪威 Nordic 半导体公司于 2005 年推出的单片式 CD Compact Disc 光盘 音质无线数字音频芯片 其能以 24 位 48kHz 的速度处理数字音频流 芯片工作于 2 4GHz 自由频段 工作电压为 2 0 3 6 伏 片内集成了电压管理器 能够最大限度地抑制噪声 nRF24Z1 有 I2S 串行接口和 S PDIF 接口 索尼 菲利浦数字接口 两种数字音频接口 I2S 提供了与各种低成本的 A D 模 数转换 和 D A 数 模转换 的无缝连接 S PDIF 接口提 供了与 PC 和环绕设备的直接接口 通过 SPI 或 I2C 接口来对芯片进行控制 同时还提供了 控制信息如音量 平衡 显示等双向传输的功能 是一个使用 性能 成本相结合的数字音 频芯片 可应用于 CD 无线耳机 无线音箱 MP3 无线耳机 无线音频下载器等系统中 2 无线音频系统 2 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或 DSP 数字信号处理器 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 1 使用 nRF24Z1 的无线音频系统框图 由图 1 可见 音频数据的传输是由一对 nRF24Z1 实现的 音频数据最终提供给接收端的 立体声 DAC 数模转换器 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 外围电路如 DAC 的控制可以由发送端的 nRF24Z1 通过控制信道进行控制 1 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 在无线音频流处理系统中 音频数据的流向总是从声源 如 CD 播放器 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 1 沈阳单片机开发网 帮您精确掌握电子器件的使用细节 3 芯片结构 3 芯片结构 3 1 音频发射器 当 nRF24Z1 作为音频发射器时 MODE 引脚必须置为高电平 nRF24Z1 作为音频发射器时 其片内功能结构如图 2 所示 I2S 接口或 S PDIF 接口可以用作音频数据的输入接口 I2S 接口由CLK DATA和WS三个引脚组成 S PDIF接口只需要SPDIO一个引脚 在声源与nRF24Z1 距离比较近时 推荐使用 I2S 接口 反之 推荐使用 S PDIF 接口 图 2 nRF24Z1 作为音频发射器时的功能结构图 3 1 1 音频输入接口 音频发射器的 I2S 接口支持 8 11 025 12 16 22 05 24 32 48 和 96kHz 多种接 口速率 音频数据可以采用 16 位 20 位或 24 位三种数字格式 nRF24Z1 同时也可以用于模 拟声源的数据采样 其采样频率为 256Hz 此时 MCLK 引脚作为模数转换器的采样时钟引脚 S PDIF 接口支持 32 44 1 和 48kHz 三种采样速率 音频数据可以采用 16 位 20 位或 24 位三种数字格式 3 1 2 控制接口 当使用外部微控制器来控制 nRF24Z1 时 音频发射器与音频接收器的配置和控制数据可 以通过标准 2 线接口或 SPI 接口提供 这两个接口也可用于从音频接收器读回状态信息 这 两个接口的寄存器地址相同 不能同时使用 2 线接口和 SPI 接口通过 SSEL 引脚选用 SSEL 引脚为低时选用 SPI 接口 SSEL 引脚为高时 选用标准 2 线接口 当不使用外部微控制器来控制 nRF24Z1 时 可以在 SPI 接口或标准 2 线接口外挂 EEPROM 或 FLASH 存储器 nRF24Z1 在上电或复位时 从存储器读取默认的配置数据 3 1 3 直接数据输入引脚 nRF24Z1音频发射器有两个通用输入引脚DD1和DD0 当SSEL引脚为高 DD2引脚和DD1 DD0 引脚一起用于直接数据输入 此时 音频接收器端的 DO2 DO1 和 DO0 三个引脚的信号 为 DD2 DD1 和 DD0 引脚的镜像 这些用于控制音频接收器的一些外部开关 这样 音频接 收器在没有微控制器的参与也能实现一些简单功能 如音量开关 的控制 2 沈阳单片机开发网 帮您精确掌握电子器件的使用细节 3 1 4 中断输出 在 nRF24Z1 检测到没有音频输入 射频连接断开等信息时 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 2 音频接收器 nRF24Z1 用作音频接收器时 MODE 引脚必须为低电平 nRF24Z1 作为音频接收器时 其 片内功能结构如图 3 所示 此时 I2S 接口或 S PDIF 接口用作音频数据或其它实时数据的 输出接口 图 3 nRF24Z1 作为音频接收器时的功能结构图 射频连接建立后 用户可以通过音频发射器控制音频接收器的 SPI 接口或标准 2 线接口 这 个特性使音频发射器能够对音频接收器的 DAC 和放大器实现遥控 3 2 1 音频输出接口 音频接收器的 I2S 接口支持 8 11 025 12 16 22 05 24 32 和 48 kHz 多种接口速 率 音频数据为 16 位格式 在音频接收器模式下 MCLK 引脚给外部 DAC 数模转换器 256Hz 的输出频率 音频接收器的 S PDIF 接口支持 32 44 1 和 48kHz 三种采样速率 音频数据可 以采用 16 位或 24 位三种格式 3 2 2 控制接口 可以在 SPI 接口或标准 2 线接口外挂 EEPROM 或 FLASH 存储器 nRF24Z1 在上电或复位 时 从存储器读取默认的配置数据 如果没有外挂存储器 芯片将使用其自身的默认值 在 音频接收器的配置中 SPI 接口可以工作于 1MHz 或 0 5MHz 的速率 当音频接收器与音频发 射器建立了射频连接之后 用户可以通过音频发射器来控制音频接收器的 SPI 接口 在 重新启动时 音频接收器的 2 线接口工作于 100kHz 的速率 之后 用户可以通过音频发射 器配置其工作于 100kHz 400kHz 或 1MHz 与音频发射器一样 nRF24Z1 音频接收器工作于 SPI 接口还是标准 2 线接口 是由 SSEL 引脚的电平决定的 3 沈阳单片机开发网 帮您精确掌握电子器件的使用细节 4 射频通信 4 射频通信 4 1 射频协议 nRF24Z1 的射频协议完全由其片内硬件处理 用户只需配置射频通信的地址长度和接收 器的地址 协议地址长度最大为 5 个字节 地址的内容存放在片内存储器 ADDR0 ADDR5 5 个字节依次存放 低字节在前 高字节在后 4 2 射频连接初始化 在射频连接建立之前 音频发射器在所有可用的频道上 反复地向音频接收器发送搜索 信息包 在每个频道上搜索一段时间 以使音频接收器能够接收和处理搜索信息 与此同时 音频接收器也在所有可用的频道上监听信息 每个频道监听一段时间 一旦监听到来自音频 发射器的搜索信息包 音频接收器发送应答信息 音频接收器和音频发射器都锁定该频道 以准备通信 nRF24Z1 的这种连接方式有助于防止干扰 减少与在 2 4G 频段上工作的其它 射频设备之间的通信碰撞 4 3 跳频通信 为了提高射频通信的抗干扰性和可靠性 nRF24Z1 支持自适应跳频通信 nRF24Z1 具有 38个自适应通信的工作频率 各个频率分别由跳频寄存器CH0 CH37控制 在跳频时 nRF24Z1 根据跳频寄存器中的内容 按顺序改变工作频率 也就是说 当 CH0 的频率受到干扰而无法 进行射频连接时 nRF24Z1 会使用 CH1 进行连接 如果 CH1 受到干扰 则使用 CH2 依次类 推 因此 在跳频通信之前 各个跳频寄存器要通过外部 EEPROM 或微控制器进行初始化 如果想 CH0 对应于频率 2420MHz 则只需在 CH0 寄存器中写入 20 如果想 CH0 对应于频率 2440MHz 则只需在 CH0 寄存器中写入 40 这样 在跳频通信时 芯片就能够按顺序跳频到 相应的频道 5 应用详述 5 应用详述 图 4 nRF24Z1 发射器的硬件原理 4 沈阳单片机开发网 帮您精确掌握电子器件的使用细节 nRF24Z1 发射器的外围元器件及其与微控制器的接口原理如图 4 所示 nRF24Z1 使用 SPI 接口与外部微控制器进行数据传输 使用 I2S 接口与音频采样设备连接 ANT1 和 ANT2 两个 引脚为 nRF24Z1 的天线引脚 射频信号从这两个引脚平衡输出 由图 4 可知 VDD PA 引脚 给天线部分提供直流电源 当 ANT1 和 ANT2 引脚的两端负载阻抗随输出功率的变化而改变 目标输出功率为芯片的最大输出功率 0dbm 时 该两引脚的负载阻抗最好是 100 j175 在一般应用中 可使用 50 简单负载匹配网络 图 4 中 电阻 R3 可以保证当微控制器复位时 nRF24Z1 寄存中的内容保持不变 电阻 R4 用于防止 SPI 接口的误激活 这两个电阻在使用中可以省去 但这样做会降低系统的稳 定性 电阻 R2 为 nRF24Z1 提供参考电流 该电阻为 22k 时 芯片的通信性能最优 改变 该电阻的阻值会影响芯片的通信性能 DVDD 引脚为 nRF24Z1 片内数字供电电压的可调整输 出引脚 该引脚的主要作用是为芯片提供去耦通路 在应用中 DVDD 引脚需要接一个 33nF 的电容到数字地 而不能用于为其它片外器件的提供电源 也不能直接和 VDD 引脚连在一起 PCB 印制电路板 的设计对整个 nRF24Z1 通信系统的射频性能影响很大 PCB 设计不好 可 能会造成通信误码率高或发射功率达到目标值 直接影响射频通信的距离 根据 Nordic 公 司的推荐 nRF24Z1 的电路板至少用两层板 直流供电电源模块尽量靠近 VDD 引脚 尽量避 免电源线过长 以减少因电路板工作过程中 因线路耦合带入过大的干扰 3 直流供电电 源模块应该并接一个 4 7uF 的电容到数字地 以达到稳压和滤波的目的 此外 应该把 nRF24Z1 的电源跟电路板上其它器件的电源隔离开 以减少因其它器件工作过程中电流变化 所产生的干扰 nRF24Z1 芯片的所有 VSS 引脚应该直接连接到数字地敷铜层 并在这些引脚 附近打些过孔 以使顶层和底层间的敷铜层连接良好 数字控制信号线最好能够离晶振