[畢業(yè)設(shè)計精品]基于nRF24E1無線耳機(jī)的設(shè)計

1、第 1 章 緒論.1 1.1 課題的研究目的和意義 .1 1.2 短距離無線通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 .2 1.3 關(guān)于 2.4ghz頻段的歷史背景、應(yīng)用前景及發(fā)展現(xiàn)狀 .4 1.4 本課題要注意的主要問題 .4 第 2 章 系統(tǒng)方案的總體設(shè)計 .7 2.1 系統(tǒng)方案構(gòu)想與確定 .7 2.2 器件的選擇 .11 第 3 章 系統(tǒng)各部分硬件的設(shè)計 .13 3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計.13 3.2 無線耳機(jī)nrf24e1 核心電路.13 3.2.1 nrf24e1 簡介.14 3.2.2 芯片引腳功能以及結(jié)構(gòu) .14 3.2.3 nrf24e1 收發(fā)器子系統(tǒng)（nrf2401） .18 3.2.4 模數(shù)

2、/數(shù)模轉(zhuǎn)換器及電壓基準(zhǔn)源 .29 3.2.5 電源管理模塊 .29 3.2.6 gpio 通用輸入/輸出 .29 3.2.7 外部存儲器 .30 3.3 麥克風(fēng)輸入電路和揚(yáng)聲器輸出電路 .31 3.4 天線的設(shè)計及其與nrf24e1 的接口電路.33 3.5 pcb 板的設(shè)計 .36 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計.39 4.1 主程序設(shè)計.41 4.2 接收子程序模塊 .41 4.3 發(fā)送子程序模塊 .43 4.4 中斷子程序模塊 .44 第 5 章 應(yīng)用系統(tǒng)的調(diào)試.45 5.1 硬件的調(diào)試.45 5.2 軟件的調(diào)試.45 5.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào).45 5.4 現(xiàn)場調(diào)試.46 kc021-1 結(jié)論 .

3、47 致謝 .49 參考文獻(xiàn) .51 附錄 .53 前前言言 短距離的無線通信技術(shù)在無線通信系統(tǒng)的實現(xiàn)中扮演著重要的角色。短距離無線 通信的方式有兩種：紅外 irda(infrared data association)和無線射頻技術(shù)(radio frequency)。由于紅外方向性強(qiáng)、距離短，而且不能有遮擋物，所以很難推廣應(yīng)用。射 頻技術(shù)因為功耗低和無方向性等優(yōu)點而受到青睞。目前世界上流行的藍(lán)牙技術(shù) （bluetooth）是一種開放性短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它就是一種無線射頻技術(shù)。但 是，與普通的射頻技術(shù)相比，藍(lán)牙技術(shù)很難滿足快速開發(fā)和低成本的要求。首先，藍(lán) 牙技術(shù)復(fù)雜度高。因為藍(lán)牙的傳輸量

4、較大，往往幾百 kbps,而普通射頻技術(shù)的傳輸量 在 100kbps 以內(nèi)。因此藍(lán)牙硬件設(shè)計、軟件及其協(xié)議編程不但復(fù)雜而且昂貴。而且， 藍(lán)牙成本高，只有大批量時才有可能降為 5 美元/片；而無線射頻芯片一般在 3 美元以 下。因此普通無線射頻可實用、經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)無線通信。藍(lán)牙很少有實用的例子， 一般 只多見于手機(jī)和 pc 之間的通信，而某些無線射頻芯片已經(jīng)廣泛投入了實用，如汽車 的安全系統(tǒng)、無線身份識別卡、無線抄表、飯店中的無線傳感器、無線鼠標(biāo)、機(jī)器寵 物、遙控器、鍵盤等。它們具有低成本、低功耗、能夠快速開發(fā)應(yīng)用的特點，來實現(xiàn) 設(shè)備的無線連接。 本課題研究開發(fā)的無線耳機(jī)，可以應(yīng)用在許多方面，比如

5、手機(jī)上用無線耳機(jī)接聽手 機(jī)電話，省卻了耳機(jī)電線，同時免除了存在爭議的手機(jī)輻射問題。還可以用于智能系統(tǒng) 中的無線通信，比如近幾年盛行的足球機(jī)器人比賽，機(jī)器人之間為了配合而互相通信以 及主機(jī)為了作全局指揮與機(jī)器人之間的通信就需要無線耳機(jī)。所以我們相信無線耳機(jī)是 有很寬廣的市場前景的。 本論文首先介紹了無線通信技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，并對 2.4ghz 頻段的歷史背景 進(jìn)行了探討。接下來分別對該系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后給出了 代碼。焊接了 pcb 板，并測試了系統(tǒng)性能。 第第 1 1 章章 緒緒論論 1 1. .1 1 課課題題的的研研究究目目的的和和意意義義 崇尚自由的人類都會有

6、向往自由、并且追求自由的潛在天性，美國的山姆大叔把 “自由女神”當(dāng)作它們國家的象征，無數(shù)英雄兒女前赴后繼就是為了 “自由”這兩個字。 人類為了自由不斷追求著擺脫空間或者時間的束縛和局限。對于處于社會中人類個體 或者群體來說，交流就是作為主體的行為，但是在遙遠(yuǎn)的過去，由于時間空間的限制， 很難進(jìn)行遠(yuǎn)距離的信息交換。給當(dāng)時人類的社會行為造成很大的不便。追求自由的人 們?yōu)榇诉M(jìn)行了不懈的努力。 自由的理念體現(xiàn)了在人類的設(shè)計天賦中，從最初單調(diào)的信 件聯(lián)絡(luò)到后來的電報，到后來的有線語音電話，無一不滲透著人們渴望擺脫客觀限制 所作的努力，這個歷程顯然沒有結(jié)束，通信電纜漸漸地成為了人們心中的絆腳石，有 沒有能

7、夠取代那些冗長的電纜的技術(shù)呢？經(jīng)過幾十年的探索和努力，電報從有線到無 線，電話從有線到無線，網(wǎng)絡(luò)從有線到無線。如今，一張人們描畫已久的藍(lán)圖已經(jīng)在 面前展示：遙遠(yuǎn)阿爾卑斯的窗景,仿佛就在眼前,你的聲音隨電波信號穿越大洋 ,無論何 地都能觸及到天涯一角的知己 ,這就是無線通信給我們帶來的驚喜。 短距離的無線通信技術(shù)在無線通信系統(tǒng)的實現(xiàn)中扮演著重要的角色。短距離無線 通信的方式有兩種：紅外 irda(infrared data association)和無線射頻技術(shù)(radio frequency)。由于紅外方向性強(qiáng)、距離短，而且不能有遮擋物，所以很難推廣應(yīng)用。射 頻技術(shù)因為功耗低和無方向性等優(yōu)點而

8、受到青睞。目前世界上流行的藍(lán)牙技術(shù) （bluetooth）是一種開放性短距離無線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它就是一種無線射頻技術(shù)。但 是，與普通的射頻技術(shù)相比，藍(lán)牙技術(shù)很難滿足快速開發(fā)和低成本的要求。首先，藍(lán) 牙技術(shù)復(fù)雜度高。因為藍(lán)牙的傳輸量較大，往往幾百 kbps,而普通射頻技術(shù)的傳輸量 在 100kbps 以內(nèi)。因此藍(lán)牙硬件設(shè)計、軟件及其協(xié)議編程不但復(fù)雜而且昂貴。而且， 藍(lán)牙成本高藍(lán)牙成本高，藍(lán)牙只有大批量時才有可能降為 5 美元/片；而無線射頻芯片 一般在 3 美元以下。因此普通無線射頻可實用、經(jīng)濟(jì)地實現(xiàn)無線通信。藍(lán)牙很少有實 用的例子，一般只多見于手機(jī)和 pc 之間的通信，而某些無線射頻芯片已經(jīng)廣

9、泛投入 了實用，如汽車的安全系統(tǒng)、無線身份識別卡、無線抄表、飯店中的無線傳感器、無 線鼠標(biāo)、機(jī)器寵物、遙控器、鍵盤等。它們具有低成本、低功耗、能夠快速開發(fā)應(yīng)用 的特點，來實現(xiàn)設(shè)備的無線連接。 本課題研究開發(fā)的無線耳機(jī)，可以應(yīng)用在許多方面，比如手機(jī)上用無線耳機(jī)接聽 手機(jī)電話，省卻了耳機(jī)電線，同時免除了存在爭議的手機(jī)輻射問題。還可以用于智能 系統(tǒng)中的無線通信，比如近幾年盛行的足球機(jī)器人比賽，為了使機(jī)器人之間進(jìn)行通信 以形成配合，使主機(jī)與機(jī)器人之間進(jìn)行通信以便于實時指揮，無線耳機(jī)無疑提供了良 好的通信途徑。所以我們相信無線耳機(jī)是有很寬廣的市場前景的。 1 1. .2 2 短短距距離離無無線線通通信信

10、技技術(shù)術(shù)的的現(xiàn)現(xiàn)狀狀與與發(fā)發(fā)展展趨趨勢勢 隨著移動通信需求和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集量的增加，加之有線傳輸?shù)馁M(fèi)用日益增長，人 們正逐漸認(rèn)識到在許多檢測領(lǐng)域采用無線傳輸?shù)谋匾?。在過去的幾年中，無線通訊 領(lǐng)域取得了很大的進(jìn)展，這其中包括數(shù)字電路和射頻電路制作工藝的進(jìn)步、低功耗電 路、高能電池以及微電子技術(shù)的采用。以上諸多方面的發(fā)展使移動通信設(shè)備更加靈巧、 經(jīng)濟(jì)、可靠。與上述技術(shù)一樣，數(shù)字通信技術(shù)和數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展也發(fā)揮了很大的 作用，他們使無線通信網(wǎng)絡(luò)向更加經(jīng)濟(jì)、更加容易操作的方向發(fā)展。所以如果我們能 夠很好地了解無線通信的基本原則以及這些技術(shù)的特點，就能更好地理解并完成傳感 數(shù)據(jù)的無線采集。無線數(shù)據(jù)通信

11、技術(shù)可分為兩大類：一是基于蜂窩的接入技術(shù)，如蜂 窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)(cdpd)，通用分組無線傳輸技術(shù) (gprs) 、edge 等。二是基于局域 網(wǎng)的技術(shù)，如 ieee802.11 wlan、bluetooth、irda、home-rf、微功率短距離無線 通信技術(shù)等。與目前已經(jīng)具備相當(dāng)規(guī)模的無線長距離通信網(wǎng)絡(luò) (如蜂窩移動通信網(wǎng))相 比，短距離無線通信系統(tǒng)在基本結(jié)構(gòu)、服務(wù)范圍、應(yīng)用層次及通信業(yè)務(wù) (數(shù)據(jù)、話音) 上，均有很大的不同。 1紅外通信技術(shù)（irda）【1,2】 紅外通信技術(shù) irda(infrared data association)采用人眼看不到的紅外線傳輸信息， 是使用最廣泛的短距

12、離無線通信技術(shù)。它利用紅外線的通斷表示計算機(jī)中的0-1 邏輯， 通常有效作用半徑 2 米，傳統(tǒng)速度可達(dá) 4 mbit/s，1995 年 irda 將通信速率擴(kuò)展到的 高達(dá) 16mbit/s，紅外技術(shù)采用點到點的連接方式，發(fā)射、接收具有方向性，具有體積 小、功耗低、連接方便、簡單易用、數(shù)據(jù)傳輸干擾少、速度快、保密性強(qiáng)、成本低廉 的特點。因此廣泛應(yīng)用于各種遙控器，筆記本電腦， pda(個人數(shù)字助手)，移動電話 等移動設(shè)備。但紅外技術(shù)只是一種視距傳輸技術(shù)，有效距離近，發(fā)射角度較小，一般 不超過 20 度，兩臺相互通信的設(shè)備之間必須對準(zhǔn)，而且傳輸數(shù)據(jù)時兩臺設(shè)備之間不能 有阻擋物，只能限于兩臺設(shè)備通信，

13、無法靈活構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，且無法用于邊移動邊使用的 設(shè)備，另外，irda 設(shè)備中的核心部件 led 易磨損。 2藍(lán)牙技術(shù)（bluetooth）【3】 藍(lán)牙技術(shù)使用全球統(tǒng)一開放的 2.4ghz 的 ism 頻段，采用跳頻擴(kuò)頻 fhss 技術(shù) 實現(xiàn)設(shè)備之間的無線互連，有穿透能力，能夠全方位傳送，主要面對網(wǎng)絡(luò)中各種數(shù)據(jù) 和語音設(shè)備，通過無線方式將它們連成一個微微網(wǎng) (piconet)。多個微微網(wǎng)之間也可以 形成分布式網(wǎng)絡(luò)(scatternet)，從而方便，快速的實現(xiàn)各類設(shè)備之間的通信。藍(lán)牙技術(shù) 作為一種新興的技術(shù)，主要具有以下特點 :規(guī)范的開放性、產(chǎn)品的互操作性及兼容性、 公用通信頻段以及提供大容量的語音和

14、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。藍(lán)牙技術(shù)目前只是一種行業(yè)聯(lián)盟制 定的短距離無線通信規(guī)范。 3ieee802.11b（wi-fi）【1】 ieee802.11b 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是無線局域網(wǎng)的國際標(biāo)準(zhǔn)，使用 2.4ghz 的 ism 頻段，采 用直接序列擴(kuò)頻 dsss 技術(shù)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)增強(qiáng)了抗干擾能力，提高了傳輸速度。 802.11b 無線網(wǎng)絡(luò)的最大優(yōu)點是兼容性，只要在原有網(wǎng)絡(luò)上裝上 ap(access point)， 就可以提供無線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，終端設(shè)備只要裝上無線網(wǎng)卡，就可以訪問所有網(wǎng)絡(luò)資源， 象使用有線局域網(wǎng)一樣方便，卻免除了布線的麻煩。 802.11b 具有有線等價保密機(jī)制 wep(wired equivalentpri

15、vacy)確保數(shù)據(jù)安全。以其具有穿透能力，全方位傳送，建網(wǎng) 速度快，可用來組建大型無線網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營成本低，投資回報快等特點，正逐漸受到電 信制造商和運(yùn)營商的青睞，目前此種設(shè)備還比較昂貴，妨礙了其推廣和應(yīng)用。更多新 的 wi-fi 標(biāo)準(zhǔn)正在制定之中。速度更快的 802.11g 使用與 802.11b 相同的正交頻分 多路復(fù)用（ofdm）調(diào)制技術(shù)，同樣工作在 2.4ghz 頻段，速率達(dá) 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 將有可能被大多數(shù) 無線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品制造商選擇作為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，而下一代的 wi-fi 標(biāo)準(zhǔn) 802.11n

16、可望達(dá)到 100 mbit/s。 4微功率短距離無線通信技術(shù) 【1】 近年來，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，短距離無線通信系統(tǒng)的大部分功能都 可以集成到一塊芯片內(nèi)部，一般使用單片數(shù)字信號射頻收發(fā)芯片，加上微控制器和少 量外圍器件構(gòu)成專用或通用無線通信模塊，所有高頻元件包括電感、振蕩器等已經(jīng)全 部集成在芯片內(nèi)部，一致性良好，性能穩(wěn)定且不受外界影響。射頻芯片一般采用 fsk 調(diào)制方式，工作于 ism 頻段，通信模塊一般包含簡單透明的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或使 用簡單的加密協(xié)議，發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)全部通過軟件設(shè)置完成，用 戶不用對無線通信原理和工作機(jī)制有較深的了解，只要依據(jù)命令字進(jìn)行操作即可實現(xiàn)

17、 基本的數(shù)據(jù)無線傳輸功能。新一代短距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有體積小、功耗低、穩(wěn) 定性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點，而且開發(fā)簡單快速，可以方便地嵌入到各種設(shè)備中， 實現(xiàn)設(shè)備間的無線連接，因此，較適合搭建小型網(wǎng)絡(luò)，在工業(yè)、民用領(lǐng)域得到較為廣 泛的應(yīng)用。 當(dāng)今，全球無線通信產(chǎn)業(yè)主要體現(xiàn)出兩個特點：一是公眾移動通信保持增長態(tài)勢 強(qiáng)勁，但也存在發(fā)展不均衡的現(xiàn)象。具統(tǒng)計， 2003 年全球移動用戶數(shù)增長率在 17 以上，在市場值方面，比上年增長了 11.3以上。盡管全球移動市場在增長，但這種 增長也呈現(xiàn)出很大的不均衡性。從用戶數(shù)來看，在北美、歐洲等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)，由 于移動用戶普及率已經(jīng)很高，因此新增用戶數(shù)日益減

18、少；而在亞洲、非洲等地區(qū)移動 用戶數(shù)增長迅猛。從用戶創(chuàng)造的價值來看，歐美發(fā)達(dá)國家的 arpu 值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了新興 的發(fā)展中國家。二是寬帶無線通信熱點技術(shù)研究和應(yīng)用十分活躍。目前，我國的移動 通信市場呈現(xiàn)持續(xù)快速增長的局面，移動用戶總數(shù)達(dá)到 4 億左右，用戶普及率達(dá)到 30左右。所以，我國移動通信用戶普及率相對還比較低，仍有相當(dāng)巨大和持久的增 長空間。 除傳統(tǒng)的公眾移動通信外，全球的寬帶無線接入領(lǐng)域近期研究和應(yīng)用十分活躍， 熱點不斷出現(xiàn)。這包括 mmds 技術(shù)、wlan 技術(shù)、wimax 技術(shù)等等，呈現(xiàn)百花齊 放的局面。這些技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，給整個無線通信產(chǎn)業(yè)注入了勃勃生機(jī)。 1 1. .3 3

19、關(guān)關(guān)于于 2 2. .4 4g gh hz z 頻頻段段的的歷歷史史背背景景、應(yīng)應(yīng)用用前前景景及及發(fā)發(fā)展展現(xiàn)現(xiàn)狀狀 一般來說，無論組織或個人，希望使用某一頻段進(jìn)行無線通信，都必須向當(dāng)?shù)卣?府申請許可證(license)并交納一定的管理費(fèi)用。但有三個頻段是例外， fcc（federal communications commission 美國聯(lián)邦通信委員會）指定了三個頻率段為無需許可證 的頻段，稱為 ism（industrial, scientific and medical 工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)）頻段 【1,2】。 這三個頻段分別為： uhf 902-928mhz s-band 2.40-2.48

20、35ghz c-band 5.725-5.875ghz 事實上，這幾個頻段本來并非為無線通信而設(shè)的。設(shè)立這幾個頻段的本意是，允 許一些工業(yè)產(chǎn)品、科學(xué)儀器和醫(yī)學(xué)設(shè)備在這些規(guī)定的頻段發(fā)出一些射頻能量，由于限 定頻段，這些設(shè)備在工作中發(fā)射出的一些射頻信號就不會影響到其它頻段的無線設(shè)備。 后來，由于 dsss（direct sequence spread spectrum, 直接序列擴(kuò)頻）與 cdma（code division multiple access, 碼分多址）技術(shù)的應(yīng)用，使得各無線設(shè)備共用 一個頻段而不相互干擾成為可能，于是 fcc 決定開放此頻段，并且規(guī)定使用 ism 頻 段無需使用許

21、可證（這也就意味著無需向政府申請頻段并為之付費(fèi)）。因此，雖然 fcc 同時規(guī)定了使用 ism 頻段的很多限制（如發(fā)射功率不得超過 1 瓦等），但由于 此頻段免費(fèi)，使得它受到了各無線設(shè)備廠商的歡迎與大力支持，基于 ism 頻段的無線 設(shè)備層出不窮。 在這三個 ism 頻段中，以 2.4ghz 頻段最受矚目。這是因為，雖然 fcc 規(guī)定這三 個 ism 頻段為無需許可證頻段，但各國對頻段的利用情況不盡相同，只有 2.4ghz 這 一頻段是國際公認(rèn)的無需許可證頻段。換句話說，基于此頻段的無線設(shè)備可以在大部 分國家通用，因此學(xué)術(shù)界和工業(yè)界對此頻段都格外重視，近期十分熱門的 wlan（wireless

22、local area network,無線局線網(wǎng)）就是基于此頻段的。世界各主要國 家（地區(qū)）對 2.4ghz 擴(kuò)頻設(shè)備的頻段分配情況見表 1-1。 1 1. .4 4 本本課課題題要要注注意意的的主主要要問問題題 本課題所研究的基于 nrf24e1 的無線耳機(jī)是短距離無線通信的一個應(yīng)用。 無線耳機(jī)在設(shè)計上有兩個特 點：一是印刷線路板體積一定要?。欢亲鳛殡姵毓?電的電子產(chǎn)品，一定要求把線路的功耗設(shè)計得非常低。 根據(jù)以上第一點原則，在設(shè)計中一是要盡可能的采用集成度高的貼片封裝芯片， 二是芯片的外圍元件一定要少；根據(jù)第二原則，除了采用低功耗芯片設(shè)計產(chǎn)品外，產(chǎn) 品中在守候狀態(tài)時應(yīng)使電源間歇脈沖供電。

23、 表 1-1 世界主要國家（地區(qū)）對 2.4ghz 擴(kuò)頻設(shè)備的頻段分配 組 國家（地區(qū)） 允許的頻段 (ghz) 備注 標(biāo)準(zhǔn) 1 美國，加拿大，阿根廷，巴西，巴拿 馬，巴拉圭，智利，哥倫比亞，秘魯， 越南，馬來西亞，新加坡，新西蘭， 菲律賓，中國香港，中國臺灣，印尼， 委內(nèi)瑞拉，烏拉圭，泰國 等 2.400-2.4835 最大輸出功率：1w；最 大有效各向同性輻射功 率（eirp）：4w fcc 15.247 rss 210 2 奧地利，比利時，捷克，瑞典，丹麥， 芬蘭，德國，希臘，匈牙利，冰島， 愛爾蘭，意大利，盧森堡，波蘭，葡 萄牙，荷蘭，南非，瑞士，英國，土 耳其 等 2.400-2.4

24、835 最大 eirp：100mw ets 300 328 3澳大利亞2.400-2.4835 2.400-2.445ghz 間允許 最大功率：1w； 2.445gh 以上允許最大 功率：200mw fcc 15.247 4韓國 2.400-2.4835有特殊限制ets 300 328 5法國 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 第第 2 章

25、章系系統(tǒng)統(tǒng)方方案案的的總總體體設(shè)設(shè)計計 2 2. .1 1 系系統(tǒng)統(tǒng)方方案案構(gòu)構(gòu)想想與與確確定定 從表 1-1 中我們可以看出，大多數(shù)國家都認(rèn)可 2.4000ghz2.4835ghz 為免許可證 頻段，本系統(tǒng)考慮到國際通用性，決定采用此頻段進(jìn)行無線通訊。 應(yīng)用于 2.4ghz 頻段的技術(shù)主要有 dsss（direct sequence spread spectrum,直接序 列擴(kuò)頻）和 fhss（frequency hopping spread spectrum，跳頻擴(kuò)頻）【4,5】。 直序擴(kuò)頻技術(shù)將實際傳送的數(shù)據(jù)加在一個事先定義的偽隨機(jī)碼中發(fā)送，發(fā)送的信 號擴(kuò)展在很寬的頻帶上。方法是對一直序

26、擴(kuò)頻代碼進(jìn)行相干或差分相干二進(jìn)制相移鍵 控調(diào)制。每一代碼 c 由 n 位碼片（chip）組成。假設(shè)用 16 位碼片來表示一位代碼 c，1 kbps 的數(shù)據(jù)基帶擴(kuò)成 16kbps，則擴(kuò)頻 16 倍。數(shù)據(jù)速率高了 n 倍，帶寬也就寬 了 n 倍。在接收端，接收機(jī)從噪聲中濾出信號，把信號還原到原來很窄的帶寬上。 跳頻技術(shù)與直序擴(kuò)頻技術(shù)完全不同，是另外一種意義上的擴(kuò)頻。跳頻的載頻受一 個偽隨機(jī)碼的控制，在其工作帶寬范圍內(nèi)，其頻率合成器按 pn 碼的隨機(jī)規(guī)律不斷改 變頻率。在接收端，接收機(jī)的頻率合成器受偽隨機(jī)碼的控制，并保持與發(fā)射端的變化 規(guī)律一致。跳頻是載波頻率在一定范圍內(nèi)不斷跳變意義上的擴(kuò)頻，而不是

27、對被傳送信 息進(jìn)行擴(kuò)譜，不會得到直序擴(kuò)頻的處理增益。跳頻相當(dāng)于瞬時的窄帶通信系統(tǒng)，基本 等同于常規(guī)通信系統(tǒng)，由于無抗多徑能力，同時發(fā)射效率低，同樣發(fā)射功率的跳頻系 統(tǒng)在有效傳輸距離內(nèi)小于直擴(kuò)系統(tǒng)。跳頻的優(yōu)點是抗干擾，定頻干擾只會干擾部分頻 點。用于語音信息的傳輸，當(dāng)定頻干擾只占一小部分時不會對語音通信造成很大的影 響。 基于 dsss 的協(xié)議主要有 802.11b（即無線局域網(wǎng)的通信協(xié)議）等，本來此系統(tǒng)準(zhǔn) 備采用 dsss，模擬無線局域網(wǎng)的通訊方式進(jìn)行無線通訊，但由于基于 dsss 技術(shù)的 無線收發(fā)芯片在零售市場很難買到，因此，最后我們放棄了這一方案，改用基于 fhss 的無線收發(fā)芯片。 基于

28、 fhss 的技術(shù)較多，較有名的有藍(lán)牙（ bluetooth）、homerf 和 nordic 公司的 nrf（事實上 nrf 并不是一種協(xié)議，只是由于其 nordic 公司的 nrf 芯片應(yīng) 用十分廣泛，因此在此與 bluetooth 和 homerf 等協(xié)議相提并論）。由于市面上尚無 基于 homerf 的收發(fā)芯片，下面僅將藍(lán)牙與 nrf 作比較：（如表 2-1） 經(jīng)過這樣的比較我們決定采用 nrf 方案，于是我們就開始尋找適合的射頻收發(fā)模 塊的芯片。 nordic 公司是挪威一家生產(chǎn)無線通信芯片的公司，其產(chǎn)品在國內(nèi)引進(jìn)后，得到了 眾多廠家的青睞。其產(chǎn)品技術(shù)新穎，性價比高。 我們所要開發(fā)的

29、這款無線耳機(jī)最重要的部分就是無線收發(fā)模塊，我們的最初方案 使用 nordic 公司的 nrf2401 這塊無線收發(fā)芯片進(jìn)行研究。 表 2-1 藍(lán)牙與 nrf 的比較圖 方 案 硬件設(shè)計 接口方式編程 通信速 率 通信距離 藍(lán) 牙 方 案 由多個芯片組成，由發(fā)射接 收處理，基帶處理等多個芯 片組成，硬件較復(fù)雜 復(fù)雜，時序要求 嚴(yán)格 通信協(xié)議和軟件堆 棧復(fù)雜，需要較長 時間熟悉 300- 400kbps 10 米 nrf 方 案 高頻電感和濾波器等已全部 內(nèi)置，所需外圍元件較少 簡便，只需和單 片機(jī) i/o 口或 spi 口相連 編程較方便1m bps 室內(nèi)約 30-50 米 室外約 80-200

30、 米 nrf 方案集成了內(nèi)部 rf 和 基帶處理，真正的單片化， 設(shè)計調(diào)試容易，成本低 nrf 較方便 nrf 方案開發(fā)周期 短 nrf 速 率較高， 更適合 多頻道 的語音 傳輸 nrf 距離 更遠(yuǎn)，更 適合無線 通信系統(tǒng) 該芯片的高集成度解決了在模擬和數(shù)字混合設(shè)計中的很多困難，同時，參考設(shè)計 還支持兩種不同的天線技術(shù)：其中一款設(shè)計采用環(huán)行天線，直接在 pcb 上用銅鉑實 現(xiàn)，該天線設(shè)計具有體積和重量小，成本低的優(yōu)勢；另外一種設(shè)計支持嵌入式高增益 天線，有效擴(kuò)大了系統(tǒng)的覆蓋距離。該參考設(shè)計 已經(jīng)為無線遠(yuǎn)程抄表、汽車雙向遙控 防盜控制和無線計算機(jī)外設(shè)的設(shè)計提供了很好的設(shè)計模板，降低 了設(shè)計開發(fā)

31、周期和成 本。 nrf2401 是真正單片無線收發(fā)器，它是半雙工收發(fā)芯片，也就是說，在發(fā)射信號 的時候不能同時接收，但是由于間隔時間非常短暫以致人耳聽不出來，所以完全不會 影響人們的正常通訊。而且，它工作于 2.42.5ghz ism 頻段，該頻段是全球免費(fèi)通 用頻段。該芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器和調(diào)制器等功能模塊，輸 出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。芯片能耗非常低，以 -5dbm 的功率發(fā)射時， 工作電流只有 0.5ma，接收時工作電流只有 18ma，多種低功率工作模式，節(jié)能設(shè)計 更方便。其 duoceivertm 技術(shù)使 nrf2401 可以使用同一天線，同時接收兩個不

32、同頻 道的數(shù)據(jù)。nrf2401 適用于多種無線通信的場合，如無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、無線鼠標(biāo)、 遙控開鎖、遙控玩具等。 nrf2401 內(nèi)置地址解碼器、先入先出堆棧區(qū)、解調(diào)處理器、時鐘處理器、 gfsk 濾波器、低噪聲放大器、頻率合成器，功率放大器等功能模塊，需要很少的外圍元件， 因此使用起來非常方便。 （見圖 2-1）qfn24 引腳封裝，外形尺寸只有 55mm?；?本上符合無線耳機(jī)的內(nèi)置芯片的外形要求。芯片引腳功能表見附錄表 7。 值得關(guān)注的是 nrf2401 的收發(fā)方式，它有兩種收發(fā)模式： shockbursttm 收發(fā)方 式和直接收發(fā)方式。 shockbursttm 收發(fā)模式下，使用片內(nèi)的先

33、入先出堆棧區(qū)，數(shù)據(jù)低速從微控制器送 入，但高速(1mbps)發(fā)射，這樣可以盡量節(jié)能，因此，使用低速的微控制器也能得到很 高的射頻數(shù)據(jù)發(fā)射速率。與射頻協(xié)議相關(guān)的所有高速信號處理都在片內(nèi)進(jìn)行，這種做 法有三大好處：盡量節(jié)能；低的系統(tǒng)費(fèi)用 (低速微處理器也能進(jìn)行高速射頻發(fā)射 )；數(shù) 據(jù)在空中停留時間短，抗干擾性高。 nrf2401 的 shockbursttm 技術(shù)同時也減小了整 個系統(tǒng)的平均工作電流 【4】。 圖 2-1 nrf2401 功能模塊 1. 在 shockbursttm 收發(fā)模式下，nrf2401 自動處理字頭和 crc 校驗碼。 在接收數(shù)據(jù)時，自動把字頭和 crc 校驗碼移去。在發(fā)送

34、數(shù)據(jù)時，自動加上字頭 和 crc 校驗碼，當(dāng)發(fā)送過程完成后，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好引腳通知微處理器數(shù)據(jù)發(fā)射完畢。 2. 在直接收發(fā)模式下，nrf2401 如傳統(tǒng)的射頻收發(fā)器一樣工作。 直接發(fā)送模式接口引腳為 ce、data 當(dāng)微控制器有數(shù)據(jù)要發(fā)送時，把 ce 置高； nrf2401 射頻前端被激活； 所有的射頻協(xié)議必須在微控制器程序中進(jìn)行處理 (包括字頭、地址和 crc 校驗碼)； 直接接收模式接口引腳為 ce、clk1 和 data； 一旦 nrf2401 被配置為直接接收模式， data 引腳將根據(jù)天線接收到的信號開始 高低變化(由于噪聲的存在)； clk1 引腳也開始工作； 一旦接收到有效的字頭，

35、clk1 引腳和 data 引腳將協(xié)調(diào)工作，把射頻數(shù)據(jù)包以 其被發(fā)射時的數(shù)據(jù)從 data 引腳送給微控制器； 這頭必須是 8 位； dr 引腳沒用上，所有的地址和 crc 校驗必須在微控制器內(nèi)部進(jìn)行； 將以上兩種模式比較后，我們認(rèn)為節(jié)能而且又不占用 cpu 的 shockbursttm（突 發(fā)脈沖）模式是符合我們設(shè)計要求的 【6】； 決定使用 nrf2401 作為收發(fā)模塊的最重要的原因還有一個那就是 nordic 公司今 年最新推出的的 nrf24e1 無線收發(fā)芯片，它集成了 8051 兼容單片機(jī)，一個 9 個通道 的 a/d 轉(zhuǎn)換控制器和 2.4ghz 的 nrf2401 無線收發(fā)芯片。nr

36、f24e1 只支持 nrf24e1 的 shockbursttm 收發(fā)方式，不支持直接收發(fā)方式，我們之前既然已經(jīng)采用了 shockbursttm（突發(fā)脈沖），該問題不予考慮。 nrf24e1 適用于各種無線設(shè)備的短距離互連應(yīng)用場合，工作于 ism（工業(yè)、科學(xué) 和醫(yī)學(xué)）頻段。該器件有 125 個頻點，能夠?qū)崿F(xiàn)點對點、點對多點的無線通信，同時 可采用改頻和跳頻來避免干擾。 我們在最終設(shè)計中確定所有功能后可以為了進(jìn)一步地節(jié)約空間將外部存儲器 eeprom25320 省略掉，換以將程序固化在 nrf24e1 內(nèi)部。更大限度地縮小外圍空間。 而且體積小的無線耳機(jī)就可以取代現(xiàn)在市場上出售的那種手機(jī)上附帶的

37、有線耳機(jī)，更 方便地達(dá)到防手機(jī)輻射的效果。 最終我們確定用兩塊帶 2.4ghz 無線收發(fā)器 nrf2401 和增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核的無線收 發(fā)模塊來作為我們無線耳機(jī)的主要部件。以下為無線耳機(jī)硬件設(shè)計原理圖： 圖 2-2 無線耳機(jī)硬件設(shè)計原理圖 整個運(yùn)行過程為：用戶從麥克風(fēng)傳播模擬音頻信號，經(jīng)過濾波和放大再由a/d 轉(zhuǎn) 換器將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。由 8051 控制 rf 收發(fā)器發(fā)出信號從天線發(fā)出，由另 一個無線耳機(jī)的天線接收，同樣由該耳機(jī)的 8051 微控制器控制 rf 前端接收，再通過 d/a 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬信號再由揚(yáng)聲器（耳機(jī)）播出。 在第三章我們將從電路設(shè)計的角度來分析硬件的設(shè)計。

38、 2 2. .2 2 器器件件的的選選擇擇 經(jīng)過前面方案的討論，我們最終使用的器件也已經(jīng)決定。 1無線收發(fā)芯片我們選擇 nrf24e1【5】 nrf24e1 收發(fā)器是 nordic vlsi 推出的系統(tǒng)級芯片之一，采用先進(jìn)的 0.18s cmos 工藝、6mm6mm 的 36 引腳 qfn 封裝；以 nrf2401/02 芯片結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將 射頻、8051mcu、9 輸入 12 位 adc、125 通道、uart（通用異步收發(fā)器）、 spi、pwm、rtc（實時計數(shù)器）、wdt（看門狗定時器）全部集成到單芯片中；內(nèi) 部有電壓高速器（工作電壓 1.93.6v）和 vdd 電壓監(jiān)視，通常開關(guān)時間小

39、于 200s，數(shù)據(jù)速率 1mbps，輸出功率 0dbm；不需要外接 saw（surface acoustic wave）濾波器，是目前世界首次推出的、全球 2.4ghz 通用的、完善的低成本射頻系 統(tǒng)級芯片。該芯片將在第三章作詳細(xì)介紹。 2用于演示使用的 demo 板我們選用的 eeprom 為 at25320 它的芯片引腳圖如圖 2-3 所示： 圖 2-3 eeprom25320 的引腳圖 該芯片的引腳功能如表 2-2 所示： 表 2-2 25320eeprom 引腳功能表 引腳名稱功能描述 cs片選 sck串行時鐘 si串行輸入 so串行輸出 wp頁面寫保護(hù) hold保持請求信號輸入 vc

40、c電源 gnd接地 關(guān)于該 eeprom 的使用將在第三章作介紹。 第第 3 章章系系統(tǒng)統(tǒng)各各部部分分硬硬件件的的設(shè)設(shè)計計 3 3. .1 1 系系統(tǒng)統(tǒng)的的總總體體設(shè)設(shè)計計 圖 3-1 硬件設(shè)計原理圖 如圖 3-1 所示,該無線耳機(jī)系統(tǒng)主要模塊就是 nrf24e1 這塊無線收發(fā)芯片,它的內(nèi) 部集成了無線收發(fā)芯片 nrf2401、8051 兼容 cpu、a/d 轉(zhuǎn)換器、gpio（通用輸入/輸 出）、電源管理模塊，還附帶有 pwm(脈沖寬度調(diào)節(jié)器)、spi(串行外設(shè)接口)、看門 狗、wut(wake up timer 喚醒定時器)、rc 振蕩器。外圍部件主要有外部存儲器晶振、 bias（偏壓電阻器

41、）、25320eeprom、天線、耳機(jī)以及揚(yáng)聲器 【6】【8】【9】。 無線耳機(jī)的工作過程我們已經(jīng)在第二章第一小節(jié)提過，在這一章，我們從電路的 角度來剖析一下系統(tǒng)的硬件構(gòu)成，用以解釋無線耳機(jī)的工作過程是如何實現(xiàn)的。 首先給出以無線收發(fā)芯片 nrf24e1 為中心的核心電路，而后給出了麥克風(fēng)輸入電 路和揚(yáng)聲器輸出電路，最后描述了一下天線與 nrf24e1 的接口電路。 3 3. .2 2 無無線線耳耳機(jī)機(jī) n nr rf f2 24 4e e1 1 核核心心電電路路 圖 3-2 nrf24e1 核心電路圖 圖 3-2 是該無線耳機(jī)設(shè)計的核心電路 【2】。 該電路圖中，以 nordic 公司開發(fā)的

42、無線收發(fā)芯片 nrf24e1 為核心。 j2 用來作為 eeprom 與 nrf24e1 之間通信的 usb 插口。由于并沒有用到該插口 的所有引腳，該外圍器件的面積可以適當(dāng)縮小。當(dāng)程序固化在芯片內(nèi)部即不需要 eeprom 的時候，該外圍器件可以被省略。 電阻 r26、r27 與 r28 用來減小通到 eeprom 引腳上的電流，防止 nrf24e1 讀 入 eeprom 中程序時電流過大導(dǎo)致發(fā)熱過多將其燒壞。 電阻 r22 與 r23 分別與 p0.2 以及 p0.1 連接，通過分壓決定了每塊板的主從功能。 其中的電容 c1c14 都是為了濾去電路板引起的雜波，以減小無線耳機(jī)通信時由于 傳輸

43、環(huán)境造成的雜音。 最右邊的粗黑線是環(huán)形天線，射頻將語音信號通過天線傳播出去由另外一個無線耳 機(jī)收發(fā)系統(tǒng)的天線接收。關(guān)于天線的介紹我們將在本章節(jié)的第四節(jié)給出詳細(xì)的介紹。 在該電路中，可以清楚地看到該電路的核心芯片是位于電路中心的 nrf24e1，它 是無線耳機(jī)系統(tǒng)的無線收發(fā)芯片。我們已經(jīng)在第二章將它與其他方案進(jìn)行了比較，解 釋了最終選用這塊芯片的具體原因。在接下來的這一節(jié)我們將從這塊芯片的引腳和功 能出發(fā)對這塊芯片作詳細(xì)的介紹，通過本節(jié)，大家對 nrf24e1 這塊芯片應(yīng)該會有系統(tǒng) 的認(rèn)識，并借此理解它實現(xiàn)無線耳機(jī)功能的原理 。 3 3. .2 2. .1 1 n nr rf f2 24 4e

44、e1 1 簡簡介介 nrf24e1 收發(fā)器是 nordic vlsi 推出的系統(tǒng)級芯片之一，采用先進(jìn)的 018cmos 工藝(complementary metal oxide semiconductou 集成在金屬氧化物的 半導(dǎo)體材料上)、6mm6mm 的 36 引腳 qfn(quad flat non-leaded package)四側(cè)無引 腳扁平封裝；以 nrf2401/02 芯片結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，將射頻 nrf2401、增強(qiáng)型 8051mcu（微處理器）、9 輸入（aref、ain0ain7）12 位 adc(模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器)、 125 通道、uart (universal asynchr

45、onous receiver/transmitter)通用異步收發(fā)器、 spi（串行外設(shè)接口）、pwm（脈沖寬度調(diào)節(jié)器）、rtc（real time clock 實時時鐘） 、wdt（watch dog timer 看門狗定時器）全部集成到單芯片中，可工作在低電壓 1.93.6v 下，待機(jī)電流可低至 2a，同時器件還帶有喚醒定時器，不需要外接 saw 濾波器，是目前世界首次推出的、全球 2.4ghz 通用的、完美的低成本射頻系統(tǒng) 級芯片。該芯片的外圍元件只有一個晶振和一個偏置電阻。 nrf24e1/nrf24e2 適用于 無線耳機(jī)、無線鼠標(biāo)和鍵盤、無線手持終端、無線頻率識別、數(shù)字視頻、遙控和汽

46、車 電子及其它短距離無線高速應(yīng)用。 3 3. .2 2. .2 2 芯芯片片引引腳腳功功能能以以及及結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu) 1. 芯片的引腳功能 nrf24e1 采用 36 腳 qfn（66mm）封裝，其引腳排列如圖 3-3 所示，各引腳功 能如下： nrf24e1 有 11 個數(shù)字 i/o 引腳，由 p0 口（dio2dio9）和 p1 口 （dio0、dio1、din0）組成，除了 din0 只能用于輸入外，其余都是雙向引腳，而 且大部分?jǐn)?shù)字 i/o 有復(fù)用功能。p0 口各個引腳的復(fù)用功能如表 3-1 所列。 表 3-1 p0 口引腳的復(fù)用功能 引腳p0.7(dio9)p0.6p0.5p0.4 復(fù)用功能

47、pwmt1t0int1 引腳p0.3p0.2p0.1p0.0(dio2) 復(fù)用功能int0txdrxdgpio 此外，p0 口還有兩個控制寄存器 p0_alt 和 p0_dir。其中 p0_alt 的控制優(yōu)先 級高于 p0_dir。設(shè)計時可以通過設(shè)定 p0_alt 來決定哪些引腳使用復(fù)用功能，沒有選 用復(fù)用功能的引腳則為 gpio(通用接口)，而可用 p0_dir 來設(shè)置這些 p0 口是輸入還 是輸出。 圖 3-3 nrf24e1 芯片引腳圖 p1 口只有 3 個引腳，可設(shè)為 spi 接口或 gpio，nrf24e1 使用 spi 時，只能作為 主機(jī)。spi 接口的引腳功能如下： p12（di

48、n0）：串行數(shù)據(jù)輸入腳； p11（din1）：串行數(shù)據(jù)輸出腳； p10（dio0）：串行時鐘引腳。 nrf24e1 帶有 9 個模擬輸入引腳，其中 ain0ain7 為 adc 的 8 路模擬輸入， aref 為 adc 參考電壓。此外，該器件還有 2 個天線接口引腳 ant1 和 ant2 以及 兩個晶振引腳 xc1 和 xc2。 nrf24e1 必須用高精度的晶振，為了支持 1mbit/s 的傳輸速率，設(shè)計時還必須采 用 16mhz 以上的晶振。 nrf24e1 的其它引腳還有 12 個。其中 iref 用于連接外部偏置參考電阻， aref 用來連接外部參考電壓。其余為電源和接地腳。 2.

49、 內(nèi)部結(jié)構(gòu)【9】 從芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 3-4 可以看出，nrf24e1 內(nèi)有增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核、無線收發(fā)器 nrf2401、9 路 100kbps/s 的 10bit 模數(shù)轉(zhuǎn)換器、uart 異步串口、spi 接口、pwm 輸 出、rc 振蕩器、看門狗和喚醒定時器，此外， nrf24e1 還內(nèi)置了專門的穩(wěn)壓電路。 （1）微處理器 nrf24e1 微處理器的指令系統(tǒng)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 8051 的指令系統(tǒng)相兼容，但兩者的指 令執(zhí)行時間有些不同。通常， nrf24e1 的每條指令執(zhí)行時間為 420 個時鐘周期，而 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) 8051 的每條指令執(zhí)行時間為 1248 個時鐘周期。nrf24e1 比工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

50、 8051 增加了 adc、spi、rf 接收器 1、rf 接收器 2、喚醒定時器 5 個中斷源，以及 3 個與 8051 一樣的定時器。nrf24e1 內(nèi)含 1 個與 8051 相同的 uart，在傳統(tǒng)的異步 通信方式下，可用定時器 1 和定時器 2 作為 uart 的波特率發(fā)生器。為了便于和外部 ram 區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，nrf24e1 的 cpu 還集成 2 個數(shù)據(jù)指針。nrf24e1 微控制器的 時鐘直接來源泉于晶振。 微處理器中有 256 字節(jié)的數(shù)據(jù) ram 和 512 字節(jié)的 rom。 上電復(fù)位或軟件復(fù)位后，處理器自動執(zhí)行 rom 中引導(dǎo)區(qū)的代碼。用戶程序通常 是在引導(dǎo)區(qū)的引導(dǎo)下，從

51、 eeprom 加載到 1 個 4kb 的 ram 中，這個 4kb 的 ram 也可作存儲數(shù)據(jù)用。如果應(yīng)用當(dāng)中不用掩膜 rom（也即內(nèi)含的 rom） ，程序代碼必 須從外部非易失性存儲器中加載。比較常見的是通過 spi 接口擴(kuò)展型號為 25320 的 eeprom。該 eeprom 的引腳功能已經(jīng)在第二章作過介紹。 為了控制一些標(biāo)準(zhǔn) 8051 沒有的功能，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 也和標(biāo)準(zhǔn) 8051 有所不同，其它的特殊功能

52、寄存器與標(biāo)準(zhǔn) 8051 相同。詳細(xì) 的情況可以參照附錄 sfr 寄存器表。 圖 3-4 nrf24e1 功能模塊圖 （2）pwm(脈沖寬度調(diào)節(jié)器)和 spi(同步串行外設(shè))接口 nrf24e1 具有一個可編程控制的 pwm 輸出。使用時，通過程序改變 dio9（即 p0.9）的功能，并可編程決定 pwm 工作于 6 位、7 位或 8 位。 spi（串行外設(shè)接口）的 3 個口與 gpio(通用接口)（din0、dion0 和 dion1） 和 rf 收發(fā)器重用。spi 硬件不產(chǎn)生任何片選信號，通常用 gpio 的位（p0 口）作為 外部 spi 設(shè)備的片選口。 （3）rtc 喚醒定時器、wtd(

53、看門狗)和 rc 振蕩器 nrf24e1 內(nèi)有一個低功耗的 rc 振蕩器。該振蕩器不能禁止，當(dāng) vdd1.8v 時， 其連續(xù)工作。rtc 喚醒定時器和 wtd（看門狗）為 2 個 16 可編程定時器，它們的工 作時鐘為 rc 振蕩器的 lposc。喚醒定時器和看門狗的定時時間約為 300s80ms，默認(rèn)值為 10ms。為了提高系統(tǒng)的可靠性，常使用硬件 “看門狗”電 路。它具有上電使單片機(jī)自動復(fù)位 、允許人工隨時手動復(fù)位、自動監(jiān)視系統(tǒng)（掉電） 等電源故障及程序跑飛使單片機(jī)自動復(fù)位的系統(tǒng)監(jiān)視功能。 （4）a/d 轉(zhuǎn)換器 nrf24e1 內(nèi)有 9 通道 10 位 adc，線性轉(zhuǎn)換時間為每 10 位

54、48 個 cpu 指令周期。 a/d 轉(zhuǎn)換器的 9 個輸入可通過軟件進(jìn)行選擇。通道 07 可以把對應(yīng)引腳 ain0ain7 上的電壓值轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，通常 8 用于對 nrf24e1 工作電壓的監(jiān)控。a/d 轉(zhuǎn)換器默認(rèn) 工作于 10 位方式，可通過軟件使其工作于 6 位、8 位或 12 位方式。 （5）無線收發(fā)器 nrf24e1 收發(fā)器通過內(nèi)部并行口或內(nèi)部 spi 口與其它模塊進(jìn)行通信，具有同單片 射頻收發(fā)器 nrf2401 相同的功能。其實我們設(shè)計的時候就單獨(dú)把該功能看作了一個獨(dú) 立的芯片 nrf2401，該芯片在第二章第一部分就作過詳細(xì)的介紹。 duoceiver 接收器 輸出的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備信號

55、，可通過程序使其為微處理器的中斷或通過 gpio 口傳給 cpu。nrf2401 工作于全球開放的 2.42.5ghz 頻段。收發(fā)器由 1 個完整的頻率合成 器、1 個功率放大器、1 個調(diào)節(jié)器和 2 個接收器組成。輸出功率、頻道和其它射頻參數(shù) 可通過對特殊功能豁口 radio（0 xa0）編程進(jìn)行控制。發(fā)射模式下，射頻電流消耗 僅為 10.5ma，接收模式下為 18ma。為了節(jié)能，可通過程序控制收發(fā)器的開 /關(guān)。 通過 pwr_up、ce 和 cs 三個控制引腳，可以設(shè)置 nrf2401 的工作方式。 pwr_up=1，ce=1，cs=0 為收發(fā)方式；pwr_up=1，ce=0，cs=1 為配

56、置方式； pwr_up=1，ce=0，cs=0 為空閑方式；pwr_up=0 時關(guān)機(jī)。 該部分將在下面就給 出詳細(xì)的分析和研究。 3 3. .2 2. .3 3 n nr rf f2 24 4e e1 1 收收發(fā)發(fā)器器子子系系統(tǒng)統(tǒng)（n nr rf f2 24 40 01 1） nrf24e1 無線收發(fā)芯片，它集成了 8051 兼容單片機(jī)，一個 9 個通道的 a/d 轉(zhuǎn)換 控制器和 2.4ghz 的 nrf2401 無線收發(fā)芯片。下面就 nrf2401 無線收發(fā)芯片作詳細(xì)的 介紹【810】。 1. radio port 無線發(fā)射端口（使用 8051 的 p2 口） 發(fā)送器時受 radio por

57、t 控制，發(fā)射端口使用的是標(biāo)準(zhǔn) 8051 的 p2 端口。盡管無 線收發(fā)器是片上，端口不是雙向的。為了匹配無線收發(fā)器子系統(tǒng)的需要，端口的默認(rèn) 值與標(biāo)準(zhǔn) 8051 的端口值是不同的。 發(fā)射器受控于特殊功能寄存器 radio 和 spi_ctrl，地址分別為 0 xa0，0xb3（詳細(xì)地址請見附錄表 6） 。表 3-2 就給出了該 nrf2401 無線收發(fā)芯片的 控制寄存器。 表 3-2 nrf2401 2.4ghz 子系統(tǒng)控制寄存器 地址讀/寫位數(shù)初始值名字功能 0 xa0讀/寫880radio接口到無線發(fā)送器子系統(tǒng) nrf2401 通用 目的輸入輸出 0xb3讀/寫20spi_ctrl00-s

58、pi 不使用 00-spi 連接到端口 p1 10-spi 連接到 nrf2401 通道 1 11-spi 連接到 nrf2401 通道 2 radio 寄存器的位數(shù)連接到 nrf24e1 信號匹配引腳，各位數(shù)功能如表 3-3 所示： 表 3-3 radio 寄存器 radio 寄存器連接 nrf2401 發(fā)送器上的引腳名 read 7：0（不使用） 6：dr2 接收器 2 的數(shù)據(jù)就緒dr2 5：clk2 接收器 2 的時鐘clk2 4：dout2 來自接收器 2 的數(shù)據(jù)dout2 3：0（不使用） 2：dr1，接收器 1 的數(shù)據(jù)就緒dr1 1：clk1，接收器 1 的時鐘clk1 0：dat

59、a，來自接收器 1 的數(shù)據(jù)data radio 寄存器連接 nrf2401 發(fā)送器上的引腳名 write 7：pwr_up，射頻芯片上的電源pwr_up 6：ce，激活接收和發(fā)送模式ce 5：clk2 接收器 2 的時鐘clk2 4：沒有使用 3：cs，片選配置方式cs 2：沒有使用 1：clk1 接收器 1 數(shù)據(jù)出入的時鐘clk1 0：數(shù)據(jù)，配置或者 發(fā)送數(shù)據(jù)輸入data 注：sfr 0 xa0,默認(rèn)初始值為 0 x80。 radio 寄存器與通過 spi 接口到 nrf24e1 的連接如圖 3-5 所示： 圖 3-5 發(fā)送器接口電路 nrf24e1 收發(fā)器的收發(fā)任務(wù)由 radio 口控制。

60、radio 口使用標(biāo)準(zhǔn) 8051 中的 p2 口地址。由于射頻收發(fā)器是片內(nèi)置的，并不是雙向工作。為了滿足射頻收發(fā)子系統(tǒng)的 需要，radio 口的默認(rèn)值與標(biāo)準(zhǔn) 8051 的 p2 默認(rèn)值也不一樣。 收發(fā)器由特殊功能寄存器中的 radio（0a0h）和 spi_ctrl(0b3h)控制。 spi_ctrl=00b 時，spi 沒用；spi_ctrl=01b 時，spi 連接到 p1 口； spi_ctrl=10b 時，spi 連到第一個 nrf2401 頻道；spi_ctrl=11b 時，spi 連接到 第二個 nrf2401 頻道。radio 的各個位如表 3-3 所示。在附錄中的程序 nrf2