24GHz无线数字音频芯片nRF24Z1.pdf

2 4GHz无线数字音频芯片无线数字音频芯片nRF24Z1 及其应用及其应用 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 3 芯片结构 3 芯片结构 3 1 音频发射器 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 2 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 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 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 4 射频通信 4 射频通信 4 1 射频协议 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 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 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 够离晶振部分和电源部分远些 总之 在