[毕业设计精品]基于nRF24E1无线耳机的设计.doc

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1、KC021-1第1章绪论11.1课题的研究目的和意义11.2短距离无线通信技术的现状与发展趋势21.3关于2.4GHz频段的历史背景、应用前景及发展现状41.4本课题要注意的主要问题4第2章系统方案的总体设计72.1系统方案构想与确定72.2器件的选择11第3章系统各部分硬件的设计133.1系统的总体设计133.2无线耳机nRF24E1核心电路133.2.1 nRF24E1简介143.2.2 芯片引脚功能以及结构143.2.3 nRF24E1收发器子系统（nRF2401）183.2.4 模数/数模转换器及电压基准源293.2.5 电源管理模块293.2.6 GPIO通用输入/输出293.2.7

2、 外部存储器303.3 麦克风输入电路和扬声器输出电路313.4 天线的设计及其与nRF24E1的接口电路333.5 PCB板的设计36第4章系统的软件设计394.1 主程序设计414.2 接收子程序模块414.3 发送子程序模块434.4 中断子程序模块44第5章应用系统的调试455.1 硬件的调试455.2 软件的调试455.3 系统联调455.4 现场调试46结论47致谢49参考文献51附录53前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 Frequ

3、ency)。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

4、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

5、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1.1课题的研究目的和意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

6、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

7、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

8、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

9、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。1.2短距离无线通信技术的现状与发展趋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

10、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

11、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

12、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

13、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。3IEEE802.11b（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

14、。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

15、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

16、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

17、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，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。1.3关于2.4GHz频段的历史背景、应用前景及发展现状一般来说，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

18、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： l UHF 902-928MHzl S-band 2.40-2.4835GHz l 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

19、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

20、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。1.4本课题要注意的主要问题 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：

21、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

22、向同性辐射功率（EIRP）：4WFCC 15.247RSS 2102 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：100mWETS 300 3283澳大利亚2.400-2.48352.400-2.445GHz间允许最大功率：1W；2.445GH以上允许最大功率：200mW FCC 15.2474韩国2.400-2.4835有特殊限制ETS 300 3285法国ETS 300 3286西班牙2.445-2.475ETS 300 3287以色列2.418-2.457E

23、TS 300 3288日本2.471-2.4979沙特阿拉伯2.446-2.4835ETS 300 32810墨西哥2.450-2.4835有特殊限制NOM 121第2章 系统方案的总体设计2.1系统方案构想与确定从表1-1中我们可以看出，大多数国家都认可2.4000GHz2.4835GHz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

24、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

25、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

26、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

27、最初方案使用Nordic公司的nRF2401这块无线收发芯片进行研究。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

28、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

29、影响人们的正常通讯。而且，它工作于2.42.5GHz 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

30、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55mm。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。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

31、(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、DATAl 当微控制器有数据要发送时，把CE 置高；l nRF2401

32、 射频前端被激活；l 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)；l 直接接收模式接口引脚为CE、CLK1 和DATA；l 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)；l CLK1 引脚也开始工作；l 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；l 这头必须是8位；l 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；l 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

33、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

34、。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

35、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。2.2器件的选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0.18s CMOS工艺、6mm6mm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

36、成到单芯片中；内部有电压高速器（工作电压1.93.6V）和VDD电压监视，通常开关时间小于200s，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HOL

37、D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。第3章 系统各部分硬件的设计3.1系统的总体设计图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

38、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。3.2无线耳机nRF24E1核心电路图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】。l 该电路图中，以Nordic公司开发的无线收发芯片nRF24E1为核心。l 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

39、片内部即不需要EEPROM的时候，该外围器件可以被省略。l 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。l 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。l 其中的电容C1C14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。l 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nRF24E

40、1，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。3.2.1 nRF24E1简介nRF24E1收发器是Nordic VLSI推出的系统级芯片之一，采用先进的018CMOS工艺(Complementary Metal Oxide Semiconductou集成在金属氧化物的半导体材料上)、6mm6mm的36引脚QFN(Quad Flat Non-leaded Packag

41、e)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、AIN0AIN7）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1.93.6V下，待机电流可低至2A，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

42、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。3.2.2 芯片引脚功能以及结构1. 芯片的引脚功能nRF24E1采用36脚QFN（66mm）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（DIO2DIO9）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

43、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。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。SP

44、I接口的引脚功能如下：P12（DIN0）：串行数据输入脚；P11（DIN1）：串行数据输出脚；P10（DIO0）：串行时钟引脚。nRF24E1带有9个模拟输入引脚，其中AIN0AIN7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，

45、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420个时钟周期，而工业标准8051的每条指令执行时间为1248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。nRF2

46、4E1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

47、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、WT