毕业设计（论文）基于NRF24Z1的数字无线话筒设计

1、基于 nrf24z1 的数字无线话筒设计 摘 要 无线数字音频传输技术是指利用无线电波作为数据传输的媒介，一切以数 字化音频为处理对象的操作技术。它是利用将语音信息调制到载波频率上发射， 实现发送端与接收端的通信。其涉及到模拟电子技术、信息技术、以及网络技 术等多个学科领域。也通过无线音频传输系统，简单控制远端设备的运行情况 以及实现两端之间的语音传输。随着无线音频技术越来越成熟，越来越多的公 共场合如大型会议室、教室等程系统采用了此技术。与有线音频传输相比，无 线音频传输具有成本低、安装简便、便于移动等优点。 本次所设计的数字无线话筒以低成本、设计结构简单为目标，对目前的射 频芯片、音频芯片

2、和微控制器进行筛选比较，以低功耗为首选，给出基于 nrf24z1 数字无线话筒的硬件结构及软件实现方法。 关键词：nrf24z1 ，短距离通信，无线传输，数字音频 design of the digital wireless microphones based on nrf24z1 author: tutor: abstract wireless digital audio transmission technology is the use of radio as a medium for data transmission, all in digital audio technology

3、to deal with object manipulation. it is the use of the voice message to the carrier frequency modulated transmitter, the transmitter and receiver to achieve communication. it relates to the analog electronics, information technology, and network technology and other disciplines. also through wireles

4、s audio transmission system, a simple remote control operation of devices and the realization of voice transmission between the two ends. as wireless audio technology becomes more mature, more and more public places such as large meeting rooms, classrooms and other process system using this techniqu

5、e. compared with wired audio transmission, wireless audio transmission with low cost, easy to install, easy to move and so on. the digital wireless microphone designed is for low cost, simple design goal of the current radio frequency chips, audio chips and microcontrollers were screened compared to

6、 the preferred low power consumption is given based on digital wireless microphone hardware nrf24z1 structure and software implementation. . keywords: nrf24z1 short-distance communication wireless digital audio 目 录 1.绪 论.1 1.1 研究课题的现状与前景.1 1.2 此次课题研究的内容.1 2.短距离无线语音传输系统简介.3 2.1 短距离无线语音传输系统原理.3 2.2 研究

7、短距离无线语音传输的意义.3 3.nrf24z1 芯片功能结构.4 3.1 无线音频系统.4 3.2 音频发射器（atx）.4 3.2.1 音频输入接口.5 3.2.2 控制接口.5 3.2.3 直接数据输入引脚.5 3.2.4 中断输出.6 3.3 音频接收器（arx） .6 3.3.1 音频输出接口.7 3.3.2 音频控制接口.7 3.4 nrf24z1 音频数据传输射频协议.7 4 基于 nrf24z1 数字无线话筒设计.10 4.1 数字无线话筒系统分析及设计.10 4.2 发射模块设计.10 4.2.1 发射模块电路设计.10 4.2.2 发射模块主程序设计.12 4.2.3 发射

8、模块部分控制程序设计.12 4.3 接收模块设计.13 4.3.1 接收模块电路设计.13 4.3.2 接收模块主程序设计.14 4.3.3 接收模块控制部分设计.15 4.4 系统调试及性能测试.15 4.4.1 硬件调试.15 4.4.2 软件调试.16 4.4.3 性能测试.16 4.4.4 测试结果.17 结 论.18 致 谢.19 参考文献.20 附录.21 附录 a.21 附录 b.26 1.绪 论 随着计算机网络通信技术的迅猛发展，无线音频传输技术应运而生，其应 用也越来越被各行各业所接受。其设备安装方便、灵活性强、性价比高等特性 使得更多行业的系统采用无线传输方式，建立发送端与

9、接收端之间的连接。 目前无线音频传输系统己经引起了学术界和工业界的高度重视，成为计算 机科学领域、工业通信领域一个活跃的研究分支，被认为是对最近几年内产生 巨大影响力的技术之一。无线音频传输系统具有双重功效，既能实现语音传输 又能实现简单的控制作业，而且具有无线传输的可移动性，无线连接，远程传 输等其自身的优势。随之应运而生的无线音频传输设备有很多，而且技术已经 比较成熟，相信在未来几年内，在短距离无线音频传输领域有很大发展空间。 1.1 研究课题的现状与前景 伴随着无线通信技术的飞速发展，生活当中人们对无线音频传输技术的要 求越来越高。人们注意到在同一幢楼内或在相距咫尺的地方，同样也需要无线

10、 通信。而短距离无线音频传输技术可以满足人们对低价位、低功耗、可替代电 缆的无线数据和语音链路的需求。 目前，无线音频传输技术以其快捷方便，可以移动等特性，也受到人们的 高度关注，得以快速发展。当然，人们对于它的要求也越来越高，积极跟踪分 析各种无线通信技术具有紧迫的现实意义，本课题就是在这样的背景下提出来 的。短距离无线音频通信系统彻底摆脱了电线的束缚，在指挥调度、安全保卫、 多媒体教学、休闲娱乐等诸多领域有着广阔的市场前景。此系统的特点是其综 合了语音处理和无线通信等技术，体积小，功耗低，有着较高的语音质量和较 低的成本以及较远的传输距离。 1.2 此次课题研究的内容 当前，随着居住和办公

11、环境空间的增长，音频的布线在大型会议室、教室 等场所越来越难以实现，成本越来越高，迫切需要无线传输高质量的音频。 所以本系统使用了专用的 ism 音频无线收发芯片 nrf24z1。nrf24z1 提 供了标准的工业音频接口以及数字音频接口，使得音频的传输成本大大降低， 而且通信速率高达 4mbps，实际数据传输率为 1.536mbps，保证了 48kbps 采样 率 16bit 采样的音频无损、抗干扰传输，最大限度的抑制了噪声的干扰。实际上 nrf24z1 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 个实用、性能、成本相结合的数字音频芯片。 本次课题就是利用 nrf24z1

12、芯片设计数字无线话筒，实现芯片各种结构功 能，进而实现短距离的无线数据传输。在设计过程中，研究了短距离无线传输 的工作原理及实现方法、对方案论述的可行性，详细介绍了所设计数字无线话 筒中各模块的组成、原理及具体的电路及软件流程，最后完成了对数字无线话 筒的硬件和软件设计、对软硬件的调试和系统性能测试。 2.短距离无线语音传输系统简介 2.1 短距离无线语音传输系统原理 短距离无线传输系统系统总体可以分为 cpu 主控模块、音频 codec 模块、 无线射频模块和 aes 数字音频接收模块四部分。工作在数据发送状态时，先由 拾音设备将模拟音频信号送给设计应用芯片，进行 a/d 转换，经 48k

13、采样， 16bit 量化后得到数据率为 768kbps 的单声道高保真语音信号数据流。数据流再 经由 cpu 串口高速传送到其内部 ram，由 cpu 进行以下一系列处理：首先 将数据打包、加帧头、加校验码和填充数据以构成传输帧，而后将数据发送至 无线传输模块，以 1mbps 的数据率，在 2.4ghz 的频段上以 gfsk 方式调制后 进行无线发射。工作在数据接收状态时，cpu 首先从无线传输模块接收到的数 据流中寻找帧头，在固定帧间隔处连续找到三次帧头来确认双方建立帧同步。 同步确立后 cpu 把数据和帧同步信号传送给内部完成去帧头、解包和校验的工 作。最终把接收到的数据流发给主芯片，回放

14、出清晰的语音。 2.2 研究短距离无线语音传输的意义 当前，固定区域以及模糊不清的语音通信通信已经不能满足人们日常生活 的需求，而是希望能在指定的区域内随时随地进行清晰的语音交流，特别是对 短距离内的高质量的无线语音通信更为迫切。在这种状况下，对短距离无线音 频传输技术进行研究更能体现其研究的价值。建立无线音频传输系统的模型对 其进行分析，给出系统的结构流程图，在此基础上进行开发设计相对应的无线 语音产品具有很高的市场潜力和发展空间。鉴于这种情况，对目前的射频芯片、 音频芯片和微控制器进行筛选比较，以低功耗为首选。以低成本、结构设计简 单为目标，选择合适的芯片，给出最佳的设计方案。 本课题研究

15、基于 nrf24z1 射频芯片为核心的数字音频传输系统的硬件、软 件构是研究短距离无线传输实际意义的体现。 3.nrf24z1 芯片功能结构 3.1 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 3.1 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 3.1使用 nrf24z1 的无线音频系统框图 由图 3.1 可见，音频数据的传输是由一对 nrf

16、24z1 实现的。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 dac 的 控制可以由发送端的 nrf24z1 通过控制信道进行控制。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。 在无线音频处理系统中，音频数据的流向总是从声源(如 mic)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，nrf2

17、4z1 片内工作的模块和 i/o 引脚功能都有很大差异。 3.2 音频发射器（atx） nrf24z1 在射频连接的音源一方使用时，mode 引脚接高电平，使 nrf24z1 成为一个 atx，其片内功能结构如图 3.2 所示。音频数据输入由 i2s 接 图 3.2 nrf24z1 作为 atx 时片内功能结构框图 口或 spdif 接担。 3.2.1 音频输入接口 i2s 接口由 clk、data 和 ws 三个引脚组成外接 a/d 转换器，采样支持 32、44.1、48ksps，16 或 24 位格式的音频数据，mclk 引脚提供基础采样频率 的 256 倍作为 a/d 的系统时钟频率；s

18、/pdif 接口只有 spdio 一个引脚，采样 支持 32、44.1、48ksps，16 位、20 位或 24 位格式的音频数据。 3.2.2 控制接口 作为 atx 时，一般外接 mcu 控制 nrf24z1，atx 与 arx 的配置和控制 数据可以通过 i2c 从接口或 spi 从接口提供，并可从 arx 读回状态信息。 ssel 引脚为低电平时，选用 spi 从接口(scsn、ssck、smiso 和 smosi)； ssel 引脚为高电平时，选用 i2c 从接口(sscl、ssda)。如果不外接 mcu，也 可使用 spi 主接口(mcsn、mmiso、mmosi 和 msck)或

19、 i2c 主接口 (msda、mscl)外挂 eeprom/flash 存储器，nrf24z1 在上电或复位时，可从 存储器读取默认的配置数据。 3.2.3 直接数据输入引脚 atx 有通用输入引脚 dd0、dd1、dd2(当 ssel=1 时)。此时，arx 的 do2、do1 和 do0 三个引脚的信号为 dd2、dd1 和 dd0 引脚的镜像，使 arx 在没有 mcu 时也能实现一些控制(如音量开关等)。 3.2.4 中断输出 当 nrf24z1 检测到没有音频输入或射频连接断开时，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

20、状态信息。 3.3 音频接收器（arx） nrf24z1 在射频连接的音源一方使用时，mode 引脚接低电平，使 nrf24z1 成为一个 arx，其片内功能结构如图 3.3 所示。此时，i2s 接口或 s/pdif 接口用作音频数据或其他实时数据的输出接口。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。射频连接建立后，通 过 atx 控制 arx 的 spi 主接口或 i2c 主接口，从而对 arx 的 d/a 转换器和 音频放大器实现射频遥控。而且 arx 还监视输入 di3:0

21、引脚，如有变化，就 把引脚的变化送回 atx，或者使 arx 从睡眠状态中回到工作状态。arx 的 do2:0受 atx 的 di 2：0控制，可驱动 led 指示灯或者其他标准的 cmos 器件；而 do3 可编程为 8 位分辨率的 pwm 输出。 图 3.3 nrf24z1 作为音频接收器时的功能结构图 3.3.1 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 48khz 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

22、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。 3.3.2 音频控制接口 可以在 spi 接口外挂 eeprom/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 spi 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 1

23、00khz、400khz 或 1mhz。 3.4 nrf24z1 音频数据传输射频协议 nrf24z1 芯片的射频工作方式是采用 gfsk(高斯频率偏移键控)，而且为保 证通信低误码率，芯片还采用了 qos(服务质量)策略。该策略包括双向通信机 制和应答策略(时分双工)、数据完整性策略和 crc 检错、射频搜索连接和掉线 搜索重连接策略、自适应跳频策略。 (1) 双向通信机制和应答策略 双向通信机制和应答策略如图 3.4 所示。atx 到 arx 的通信为实时和重 发的音频信道，而 arx 与 atx 的双向通信则是控制信道。控制信道的信息包 括确认信息、寄存器信息以及引脚状态信息等。 图 3

24、.4 nrf24z1 双向通道 (2) 数据完整性策略和 crc 检错 数据完整性策略和 crc 检错完全通过硬件实现，用户只需配置射频协议的 atx 和 arx 的地址。发送和返回的数据包以数据帧为单位，其帧格式如图 3.5 所示。 图 3.5 nrf24z1 发送和返回数据帧格式 图中，p(引导码)在数据帧的开头，作为数据流同步使用；addr(接收端地 址)为片内寄存器 addr0addr4；id(数据包标识码)，其取值为 063；c(音频压缩标识位)，1 位，表示本帧音频数据是否压缩；ack 表示 arx 返回 arx 所接收到的音频数据情况；data 是控制或寄存器数据，作为 收发双方

25、传输的工作数据；audio data 为实时和重发的音频数据，一帧采样 16 组立体声数据，每组 32 位；crc 检测本帧数据是否有错。arx 接收数据时， nrf24z1 先接收一帧数据包，分别验证引导码、arx 地址和校验码正确后，就 返回表示接收正确(arx 工作状态装在 data)的确认码，然后读出 data 数据， 根据 data 数据完成 arx 的任务，再根据 c 的标识决定本帧音频数据是否解 压缩，最后按标识码 id 把音频数据排队通过 i2s 接口发送出去。反之，放弃本 帧数据，返回有错误(arx 的工作状态和错误内容装在 data)的确认码，要求 重发。其中，pkt1，p

26、kt2，pkt8 为实时音频数据；x1，x2，xn 为 重发的音频数据。 （3）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。 （3）自适应跳频策略 为了提高射频通信的抗干扰性和可靠

27、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 ch0ch37 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

28、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。 4 基于 nrf24z1 数字无线话筒设计 4.1 数字无线话筒系统分析及设计 无线话筒发射端为可携带的便携式话筒，主要由无线数字音频 nrf24z1、a/d 转换器、mcu 等组成。当 nrf24z1 作为发射端时，其 mode 引脚必须接到高电平，i2s 接口作数字音频输入接口。无线话筒输入的主信号源 选用有良好声学性能、贴片电容式硅麦克风，通过前置放大，作为 a/d 主要的 模拟音频信号源；另外可自带 cd 机等其他任何标准的立体声音源作为另一组 模拟音频信号源。mcu 除了通过 i2c 兼容接口控制 nrf2

29、4z1 和 a/d 转换器外， 还处理 play(放音/静音/睡眠)、micup(话筒增益增大)、micdown(话筒增益减小) 按键和指示灯的工作提示。无线话筒接收端为固定式接收端，由无线数字音频 nrf24z1、cpu、d/a 转换器和音频功率放大电路组成。当 nrf24z1 用作音频 接收器时，mode 引脚必须为低电平，i2s 接口作数据音频输出接口。设计系 统流程如 4.1 所示。 麦克风 发送端单片 机 st89c51 无线射频芯 片 nrf24z1 无线射频芯 片 nrf24z1 接收端单片 机 st89c51 扬声器 图 4.1 无线话筒系统设计流程总框图 4.2 发射模块设计

30、 4.2.1 发射模块电路设计 无线发射模块主要包括电源供电部分、声音信号的模数转换部分、载波发 射部分、mcu 控制部分，另外在整个电路的印制板设计中还要考虑抗干扰能力。 当 nrf24zl 作为音频的发射器时，须将 mode 引脚置为高电平，在本设计 中将 mode 引脚接 vdd，使 nrf2421 成为一个 atx，其片内功能结构如图 4.2 所示。12s 接口或 s/pdif 接口可以用作音频数据的输入接口，12s 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 nrf2421 距离比较近时推荐使用 12s 接口，反之推荐

31、使用 s/pdif 接口。 其电路图如 4.2 图所示， 图 4.2 发射模块电路总框图 nrf24z1 的时钟选择外接 16m 晶振，晶振有一个重要的参数，那就是负载 电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。 一般的晶振振荡电路都是在一个反相放大器的两端接入晶振，再有两个电容分 别接到晶振的两端，每个电容的另一端再接到地，这两个电容串联的容量值就 应该等于负载电容，请注意一般 ic 的引脚都有等效输入电容，这个不能忽略。 一般的晶振的负载电容为 15p 或 12.5p，如果考虑元件引脚的等效输入电容，则 两个 22p 的电容构成晶振馈电阻，是为了保证反相器输入端

32、的工作点电压在 vdd/2，这样在振荡信号反馈在输入端时，能保证反相器工作在适当的工作区。 虽然去掉该电阻时，振荡电路仍工作了，但是如果从示波器看振荡波形就会不 一致了，而且可能会造成振荡电路因工作点不合适而停振，所以千万不要省略 此电阻。该电阻是为了使本来为逻辑反相器的器件工作在线性区，以获得增益， 在饱和区是没有增益的，而没有增益是无法振荡的。如果用芯片中的反相器来 做振荡，必须外接这个电阻，对于 cmos 而言可以是 lm 以上，对于 ttl 则比 较复杂，视不同类型而定。 4.2.2 发射模块主程序设计 先编写初始化程序，设置单片机的初始状态，再写 a/d 转换程序，将模拟 信号转换为

33、数字信号。然后，编写时序，从寄存器中读出数据，发送给无线传 输芯片，无线传输芯片便会自动将 tx fifo 寄存器中的数据依次发送出去。发 射程序流程图如图 4.3 所示。 开始 初始化 a/d 转换 转换是否完成 发送到 nrf24z1 是否发送完毕 返回 n n y 图 4.3 发射程序流程图 4.2.3 发射模块部分控制程序设计 无线音频传输系统的接收和发送控制有以下三种情况： (1)无线接收模块始终处于工作状态，不时地试着建立连接。当发射模块开 机或者在睡眠状态下有键按下而将其唤醒时，收、发模块间建立连接。 (2)无线发射模块始终处于工作状态，不时地试着建立连接。当接收模块开 机或者在

34、睡眠状态下有键按下而将其唤醒时，收、发模块间建立连接。 (3)无线收、发模块始终处于工作状态，不时地试着建立连接。 对以上三种方案进行比较，第一种方案发射模块的功耗较小，第二种方案 接收模块功耗较小，第三种方案功耗最大。虽然本设计的主要问题是解决发射 端功耗过大的问题，但是由于设计采用微功耗收发芯片，发射端在工作环境下 电流消耗约为 30ma，当由两节 230ma 的电池供电时可连续工作 10 小时；再 者，为了防止突然间的间断而使系统进入睡眠状态，最终选择方案三。由于接 收端是固定的，可以通过直流电源进行供电。发射模块控制程序流程的设计思 路为：当发射端电源开关闭合时，发射端试着与接收模块建

35、立连接；当连接建 立后，收、发模块间进行数据传输。 图 4.4 发射部分控制程序流程图 4.3 接收模块设计 4.3.1 接收模块电路设计 为了简化设计思路，本设计方案中在接收部分 nrf24zl 还是工作于从模式， 其初始化及控制由外部的单片机完成。接收模块的射频部分，当 nrf24z1 作为 音频的接收器时，需将 mode 引脚置为低电平，在该设计中将 mode 引脚接 vdd，使 nrf24z1 成为一个 arx，其他部分与发射模块基本相同。nrf24zl 作为接收模块时电路图如 4.5 所示 图 4.5 接收模块电路图 4.3.2 接收模块主程序设计 写编写程序，设置单片机寄存器的初始

36、状态，以及接收芯片的初始状态， 然后编写接收程序，将接收芯片寄存器中的数据读出来，通过串口，传送给微 控制器。程序流程图如 4.6 图所示： 图 4.6 接收程序流程图 4.3.3 接收模块控制部分设计 图 4.7 接收部分控制程序流程图 接收部分的控制流程如图 4.7 所示，当发射模块上电后，st89c51 单片机 首先完成自身的初始化配置，禁止不用的输入输出口，配置 12c 总线接口，使 其为主模式。接下来单片机通过 12c 总线接口配置数模转换芯片，配置其为睡 眠模式以降低能耗。最后通过 12c 总线完成 nrf24z1 的初始化配置。当接收模 块收到发射模块的请求时，将与发射模块进行连

37、接。当连接成功时，将首先配 置工作模式，然后将收到的 12s 音频序列通过 st89c51 进行数模转换，最终音 频信号将由耳机接口输出。如果收发模块连接不成功时，则退出进入睡眠模式。 此时在 l10 的时间段里，收、发模块试着进行连接，如果连接成功则退出失 眠模式。 4.4 系统调试及性能测试 硬件调试主要包括电源调试、控制电路的调试、adc 转换、dac 转换及 无线收发部分的调试。为了防止人为的错误，系统在绘制 pcb 板时，分成了 nrf24z1 模块(nrf24z1 模块在收发电路中是相同的)、模数转换与控制模块、 数模转换与控制模块三个部分。采用模块化的结构，可以对硬件分开调试，比

38、 较方便。 4.4.1 硬件调试 硬件调试主要是对电源、主结构线路连接、麦克风和扬声器的调试，这个 在性能测试之前做到调试完成无任何问题，在软件调试之前本人已完成硬件调 试， 实物如下图： 4.4.2 软件调试 由于本设计中发送模块为了降低工作电压，模数转换芯片选择 st89c51， 其采用 28 引脚的 qfn 封装，所以在焊接的时候难免虚焊或者造成短路。调试 st89c51 时，可以让单片机通过 12c 总线对 st89c51 的寄存器进行配置，如果 配置成功则单片机的某一引脚置高电平，这样就可以测试其是否正常。其中 nrf24z1 的调试是整个系统中最为关键的部分，nrf24z1 调试成

39、功的关键在于 控制字及数据的写入，因为 nrf24z1 工作时需要严格的时序，如果时序不正确， nrf24zl 就不能正常工作。调试 nrf24z1 与 st89c51 的调试相类是，也是让单 片机通过 12c 总线对 st89c51 的寄存器进行配置，看是否成功。 4.4.3 性能测试 短距离无线音频传输系统的性能测试，主要由传输速率、误码率、最大传 输距离这三个方面来评价。由于本系统传输的是音频数据，而无线音频传输系 统在不同发射功率下的传输距离是不同的，为了在满足通信距离的条件下降低 系统功耗，就要降低其的发射功率。所以首先测试在不同发射功率下的传输距 离。 再者，由于本设计的另一个主要

40、目的是为了解决目前短距离无线音频传输 系统功耗过高的问题，所以本系统的功耗是一个重要的性能指标。 4.4.4 测试结果 (1)距离测试： 室内距离测试如下表： 供电电压/v传输距离/m音频质量 5收到且非常清晰 8收到且非常清晰2.4 12收到且非常清晰 5收到且非常清晰 8收到且非常清晰5.0 12收到且非常清晰 室外距离测试如下表： 供电电压/v传输距离/m音频质量 20收到且非常清晰 50收到且清晰2.4 75收到有少许杂音 20收到且非常清晰 50收到且非常清晰5.0 75收到且清晰 (2) 功耗测试： 发射系统 供电电压/v功耗/mw估计工作时间/h 2.4 (ic31ma)p74.

41、4 10 5.0 (ic31ma)p74.4 21 接收系统 供电电压/v功耗/mw估计工作时间/h 2.4 (ic36ma)p86.4 9 5.0 (ic36ma)p86.4 18.5 测试结果表明：短距离无线音频传输系统完全达到设计要求，满足设计需要。 结 论 本课题着眼于短距离无线数字音频传输中所存在的主要问题，提出了以 nordic 公司的超低功耗射频芯片 nrf24z1 为核心的数字无线话筒设计方案， 在此次设计中做的重点工作可分为一下三部分： （1）介绍短距离无线数字传输系统的模型，对各部分的作用加以说明，并 对无线音频数字传输系统进行能耗分析。依照理论知识，建立了短距离无线音 频

42、数字传输系统的最初模型。 （2）依据整体设计方案，以低功耗、可行性为依据，对扬声器、模数转换 芯片和电源设计进行选型，设计出系统的硬件电路，并完成软件的编写。 （3）在完成设计的基础上，从性能和工作状态等方面对该系统进行实验测 试。测试结果表明该系统完全符合设计要求。 由于本设计是初次研究设计，为了降低开发和调试难度，无线收、发模块 均采用单片机控制，这使得单片机接口资源利用低下，并且占用较大面积的 pcb 板。在以后的开发中，从降低成本的角度考虑，可以采用收、发模块程序 都存储在 eeprom(电可擦可编程只读存储器)中，通过总线控制的方式。本设 计的针对性很强，目的是为了解决目前无线话筒存

43、在的功耗高、音质差等问题， 采集的信号是人发出的声音，所以在本论文中没有考虑线输入音频信号的无线 传输问题。后续工作可以在无线发射部分加入线输入音频接口，软件也做相应 调整，使此系统更加完美。 致 谢 四年的校园生活转眼流逝，对于今天的我来说，在成长中对给予我任何帮 助的人都感恩不尽。特别是在最后的论文设计工作中，首先要感谢我的导师王 照平教授。王老师开阔的视野，为我提供了极大的发挥空间，在基于 nrf24z1 数字无线话筒设计的工作中不仅让我巩固了以前的所学到的理论知识更是加强 了我的实践动手能力。王老师宽厚待人的学者风范更是令我无比感动！恩师严 谨求实、勤勉审慎、精益求精的治学风范、豁达乐

44、观的人生态度，都对我产生 了深远的影响。论文的选题、构思和写作，始终得到导师的悉心指导、严格要 求和亲切鼓励！王老师对我论文设计的精心指导也让我明白了做任何事情做到 严谨细致、一丝不苟，才能做出属于自己最出色的杰作。 在毕业论文撰写过程中，也得到了多位老师、同学、朋友的关心和帮助。 还要感谢本科四年学习期间的每一位老师，是你们你们辛勤工作和教诲使我受 益匪浅，让我学到了大量的理论专业知识，这也是我毕业论文的基础。 最后再次感谢导师王照平教授以及四年本科学习期间帮助我的每一位老师， 一起互相学习的每一位同学!感谢系、院所有老师和同学对我学习的支持！谢谢！ 参考文献 1 nordic semico

45、nductor, nrd24-02 nrf24z1 headphone reference design eb/ol. http:/www. nordicsemi.no, 2007. 2 theodore s.rappaport.无线通信原理与应用m.电子工业出版社,2006 .7. 3 马忠梅，单片机的 c 语言应用程序设计（修订版）m北京：北京航空航天 大学出版社，1993. 4 英庆，王代华，张志杰，基于 nrf24z1 的无线数据传输系统c.中北大学仪 器科学与动态测试教育部重点实验室，2008. 5 陆云龙，张会铭等数字音频射频收发芯片 nrf24z1 原理及应用j单片 机与嵌入式系

46、统应用2007(10)：40-43. 6 2.4ghz 无线数字音频芯片 nrf24z1 及其应用国电子网.2005.21ic. 7 汤炜伟，孙新亚，吉吟东基于 nrf24z1 的无线数字/模拟音频传输系统 j .电子技术应用 ,2007(4):41-43 . 8 倪其育音频技术教程m北京：国防工业出版社，2006. 9 韩纪庆，冯涛等音频信息处理技术m北京：清华大学出版社，2007. 10 吕江波，虞露spdif数字音频接口和接收机中的数据译码实现j电 声技术2002(9)：15-20 11 黄会雄基于udal34l数字音频接口嵌入式电路的设计j山西电子技 术2007(1)：25-27. 1

47、2 高亮，周德扬等2.4ghz无线数据传输系统j.北京广播学院学报(自然科 学 13 余波，张松近距离无线通信系统设计与实现j成都电子机械高等专科 学校学报2005(3)：2628. 14 王秀梅，刘乃安低功耗2.4ghz无线通信系统的设计与实现j中国数据 通信2007(21)：6466 . 15 曾芳，李勇基于nrf24z1的短距离遥测系统设计与实现j电子测量技 术2007(6)：1214. 附录 附录 a nrf24z1控制代码: /定义按键 #define btn_nokey 0b00000000 /无键按下 #define btn_volup ob0000l000 /音量增大 #def

48、ine btn_voldn 0b00000100 /音量减小 /nrf24z1 i0 definitions #define linkfindcounter 32 /连接次数设置 #define linkfindperiod 32 /连接时间间隔设置 #define maxpolliter 100 /超时标志 #define pollduration 4 /在_个不成功的连接等待的时间 #define flagready 0 x00 /定义nrf24z1准备 #define okay 0 x00 #define timeout 0 xff /定义超时 #define linkpresent 0

49、 x0l /_个链接 #define i2s 0 x01 /定义12s作为数字音频接口 /定义中断 #define int_void 0 x00 /没有中断 #define int_lbroken 0 x40 /链接失败中断 #define int_lqual 0 x20 /链接品质低中断 #define int_rtrans 0 x10 /atx数据传输完成中断 #define intrinput 0 x08 /输入改变中断 #define intlerror 0 x04 /链接高错误中断 #define intwake 0 x02 /唤醒中断 /当nrf24z1 在从模式下，处理器通过2线

50、接口读出1字 节 char zl_singleread(char adr) return mcu_2w_read(zl2wdevadr，adr)； 向nrf24z1寄存器中写入1个字节 void zl_singlewrite(char adr，char data) mcu_2w_write(z12wdevadr，adr，data)； /nrf24zl链接测试 char z1_haslink(void) char counter=4； while(counter!=0) if(zl_singleread(lnksta)!=linkpresent) /标志位没有准备好 return 0； /有标志

51、位，但是要进行再次测试 else mcu_wait_ms(5); return 1； /连接测试成功 /等待链接建立 char z1_haslink_wait(void) char temp=linkfindcounter； while(temp!=0) if(zl_haslink() /是否建立链接 return l： else /没有，等待再次测试建立链接 temp； mcu_wait_ms(linkfindperiod)； return 0; ； /atx开始重新建立1个链接 void z1_force_relink(void) /配置lnkmod4寄存器，触发重新链接 zl_singlewrite(lnkmod，0 xl0)； #ifdef z1alteraddress /私有地址的设置是在rx和tx建立连接后，设置地址和跳频寄存器 void z1_setprivateadr(void) z1_sing1ewrite(addr_0，mcu_randombyte()； z1_singlewrite(addr_1，mcu_randombyte()；