2.4GHz無(wú)線數(shù)字音頻芯片nRF24Z1及其應(yīng)用

1、2.4GHz無(wú)線數(shù)字音頻芯片nRF24Z1及其應(yīng)用1.引言nRF24Zl是挪威Nordic半導(dǎo)體公司于2005年推出的單片式CD（CompactDisc,光盤(pán)）音質(zhì)無(wú)線數(shù)字音頻芯片，其能以24位48kHz的速度處理數(shù)字音頻流。芯片工作于2.4GHz自由頻段，工作電壓為2.03.6伏，片內(nèi)集成了電壓管理器，能夠最大限度地抑制噪聲。nRF24Z1有I2S串行接口和S/PDIF接口（索尼/菲利浦?jǐn)?shù)字接口）兩種數(shù)字音頻接口，I2S提供了與各種低成本的A/D（模/數(shù)轉(zhuǎn)換）和D/A（數(shù)/模轉(zhuǎn)換）的無(wú)縫連接，S/PDIF接口提供了與PC和環(huán)繞設(shè)備的直接接口。通過(guò)SPI或I2C接口來(lái)對(duì)芯片進(jìn)行控制。同時(shí)還提供

2、了控制信息如音量，平衡，顯示等雙向傳輸?shù)墓δ?，是一個(gè)使用、性能、成本相結(jié)合的數(shù)字音頻芯片?？蓱?yīng)用于CD無(wú)線耳機(jī)、無(wú)線音箱、MP3無(wú)線耳機(jī)、無(wú)線音頻下載器等系統(tǒng)中。2.無(wú)線音頻系統(tǒng)nRF24Z1能夠以高達(dá)1.54Mbit/s的速率處理音頻流，音頻數(shù)據(jù)的輸入/輸出、射頻協(xié)議和射頻連接等工作由片內(nèi)的硬件完成。圖1所示為使用nRF24Z1的無(wú)線音頻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，在該系統(tǒng)中，只需使用簡(jiǎn)單的或低速的微控制器或DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）即可完成系統(tǒng)的控制，微控制器通常通過(guò)串行口或并行口控制一些簡(jiǎn)單的任務(wù)，如音量調(diào)節(jié)等。：XC3S400-4FG456CLT1931AES5ADM1032ARM-REEIFAN8

3、034LMMSZ5234BT1LC4064V-75T100C780974HC4051LF356NTL3472CD圖1使用nRF24Z1的無(wú)線音頻系統(tǒng)框圖由圖1可見(jiàn)，音頻數(shù)據(jù)的傳輸是由一對(duì)nRF24Z1實(shí)現(xiàn)的，音頻數(shù)據(jù)最終提供給接收端的立體聲DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）。nRF24Z1的初始配置由微控制器通過(guò)SPI或I2S接口進(jìn)行控制。在接收端，外圍電路如DAC的控制可以由發(fā)送端的nRF24Z1通過(guò)控制信道進(jìn)行控制1。如果設(shè)計(jì)中沒(méi)有使用微控制器，則配置數(shù)據(jù)可以通過(guò)片外的EEPROM/FLASH存儲(chǔ)器進(jìn)行加載。在無(wú)線音頻流處理系統(tǒng)中，音頻數(shù)據(jù)的流向總是從聲源（如CD播放器）到聲宿（如揚(yáng)聲器）。本系統(tǒng)中，在

4、聲源端使用nRF24Z1進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)的發(fā)送，在聲宿端使用nRF24Z1進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)的接收。鑒于上述的收發(fā)差異性，nRF24Z1可能通過(guò)MODE引腳設(shè)置其工作于發(fā)射器模式或接收器模式，這兩種模式下，nRF24Z13.片內(nèi)工作的模塊和I/O引腳功能都有很大差異。芯片結(jié)構(gòu)3.1.3直接數(shù)據(jù)輸入引腳3.1.3直接數(shù)據(jù)輸入引腳3.1音頻發(fā)射器當(dāng)nRF24Zl作為音頻發(fā)射器時(shí)，MODE引腳必須置為高電平。nRF24Zl作為音頻發(fā)射器時(shí)，其片內(nèi)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。I2S接口或S/PDIF接口可以用作音頻數(shù)據(jù)的輸入接口。I2S接口由CLK、DATA和WS三個(gè)引腳組成，S/PDIF接口只需要SPDIO一個(gè)引腳，

5、在聲源與nRF24Zl距離比較近時(shí)，推薦使用I2S接口，反之，推薦使用S/PDIF接口。圖2nRF24Zl作為音頻發(fā)射器時(shí)的功能結(jié)構(gòu)圖3.1.1音頻輸入接口2音頻發(fā)射器的I2S接口支持8、11.025、12、16、22.05、24、32、48和96kHz多種接口速率，音頻數(shù)據(jù)可以采用16位、20位或24位三種數(shù)字格式。nRF24Z1同時(shí)也可以用于模擬聲源的數(shù)據(jù)采樣，其采樣頻率為256Hz，此時(shí)，MCLK引腳作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣時(shí)鐘引腳。S/PDIF接口支持32、44.1和48kHz三種采樣速率，音頻數(shù)據(jù)可以采用16位、20位或24位三種數(shù)字格式。3.1.3直接數(shù)據(jù)輸入引腳3.1.3直接數(shù)據(jù)輸入

6、引腳3.1.3直接數(shù)據(jù)輸入引腳3.1.3直接數(shù)據(jù)輸入引腳3.1.2控制接口當(dāng)使用外部微控制器來(lái)控制nRF24Z1時(shí)，音頻發(fā)射器與音頻接收器的配置和控制數(shù)據(jù)可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)2線接口或SPI接口提供，這兩個(gè)接口也可用于從音頻接收器讀回狀態(tài)信息。這兩個(gè)接口的寄存器地址相同，不能同時(shí)使用。2線接口和SPI接口通過(guò)SSEL引腳選用，SSEL引腳為低時(shí)選用SPI接口，SSEL引腳為高時(shí)，選用標(biāo)準(zhǔn)2線接口。當(dāng)不使用外部微控制器來(lái)控制nRF24Z1時(shí)，可以在SPI接口或標(biāo)準(zhǔn)2線接口外掛EEPROM或FLASH3.1.3直接數(shù)據(jù)輸入引腳3.1.3直接數(shù)據(jù)輸入引腳存儲(chǔ)器，nRF24Z1在上電或復(fù)位時(shí)，從存儲(chǔ)器讀取默認(rèn)

7、的配置數(shù)據(jù)。nRF24Zl音頻發(fā)射器有兩個(gè)通用輸入引腳DD1和DDO,當(dāng)SSEL引腳為高，DD2引腳和DD1、DD0引nRF24Zl音頻發(fā)射器有兩個(gè)通用輸入引腳DD1和DDO,當(dāng)SSEL引腳為高，DD2引腳和DD1、DD0引3.2.2控制接口3.2.2控制接口和DD0引腳一起用于直接數(shù)據(jù)輸入，此時(shí)，音頻接收器端的D02、DO1和D00三個(gè)引腳的信號(hào)為DD2、DD1腳的鏡像。這些用于控制音頻接收器的一些外部開(kāi)關(guān)，這樣，音頻接收器在沒(méi)有微控制器的參與也能實(shí)現(xiàn)一些簡(jiǎn)單功能（如音量開(kāi)關(guān)）的控制。3.1.4中斷輸出在nRF24Zl檢測(cè)到?jīng)]有音頻輸入、射頻連接斷開(kāi)等信息時(shí)，其可以通過(guò)IRQ引腳給微控制器提

8、供中斷信號(hào)，此時(shí)，微控制器可以通過(guò)控制接口讀取nRF24Z1的狀態(tài)信息。3.2音頻接收器nRF24Zl用作音頻接收器時(shí)，MODE引腳必須為低電平。nRF24Zl作為音頻接收器時(shí)，其片內(nèi)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示。此時(shí)，I2S接口或S/PDIF接口用作音頻數(shù)據(jù)或其它實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的輸出接口。nRF24Zl音頻發(fā)射器有兩個(gè)通用輸入引腳DD1和DDO,當(dāng)SSEL引腳為高，DD2引腳和DD1、DD0引nRF24Zl音頻發(fā)射器有兩個(gè)通用輸入引腳DD1和DDO,當(dāng)SSEL引腳為高，DD2引腳和DD1、DD0引3.2.2控制接口3.2.2控制接口nRF24Zl音頻發(fā)射器有兩個(gè)通用輸入引腳DD1和DDO,當(dāng)SSEL引腳為高

9、，DD2引腳和DD1、DD0引nRF24Zl音頻發(fā)射器有兩個(gè)通用輸入引腳DD1和DDO,當(dāng)SSEL引腳為高，DD2引腳和DD1、DD0引3.2.2控制接口3.2.2控制接口這個(gè)特性圖3nRF24Zl作為音頻接收器時(shí)的功能結(jié)構(gòu)圖射頻連接建立后，用戶可以通過(guò)音頻發(fā)射器控制音頻接收器的SPI接口或標(biāo)準(zhǔn)2線接口。使音頻發(fā)射器能夠?qū)σ纛l接收器的DAC和放大器實(shí)現(xiàn)遙控。3.2.1音頻輸出接口音頻接收器的I2S接口支持8、11.025、12、16、22.05、24、32和48kHz多種接口速率，音頻數(shù)據(jù)為16位格式。在音頻接收器模式下，MCLK引腳給外部DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）256Hz的輸出頻率。音頻接收器的

10、S/PDIF接口支持32、44.1和48kHz三種采樣速率，音頻數(shù)據(jù)可以采用16位或24位三種格式。6.結(jié)論可以在SPI接口或標(biāo)準(zhǔn)2線接口外掛EEPROM或FLASHODO,nRF24Zl在上電或復(fù)位時(shí)，從存儲(chǔ)器讀取默認(rèn)的配置數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有外掛存儲(chǔ)器，芯片將使用其自身的默認(rèn)值。在音頻接收器的配置中，SPI接口可以工作于1MHz或0.5MHz的速率。當(dāng)音頻接收器與音頻發(fā)射器建立了射頻連接之后，用戶可以通過(guò)音頻發(fā)射器來(lái)控制音頻接收器的SPI接口。在重新啟動(dòng)時(shí)，音頻接收器的2線接口工作于100kHz000,之后，用戶可以通過(guò)音頻發(fā)射器配置其工作于100kHz、400kHz或1MHz。與音頻發(fā)射器一樣

11、，nRF24Z1音頻接收器工作于SPI接口還是標(biāo)準(zhǔn)2線接口，是由SSEL引腳的電平?jīng)Q定0。4.射頻通信4.1射頻協(xié)議nRF24Z10射頻協(xié)議完全由其片內(nèi)硬件處理，用戶只需配置射頻通信的地址長(zhǎng)度和接收器的地址。協(xié)議地址長(zhǎng)度最大為5個(gè)字節(jié)，地址的內(nèi)容存放在片內(nèi)存儲(chǔ)器ADDR0ADDR5,5個(gè)字節(jié)依次存放，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。4.2射頻連接初始化在射頻連接建立之前,音頻發(fā)射器在所有可用0頻道上,反復(fù)地向音頻接收器發(fā)送搜索信息包,在每個(gè)頻道上搜索一段時(shí)間,以使音頻接收器能夠接收和處理搜索信息。與此同時(shí),音頻接收器也在所有可用0頻道上監(jiān)聽(tīng)信息,每個(gè)頻道監(jiān)聽(tīng)一段時(shí)間,一旦監(jiān)聽(tīng)到來(lái)自音頻發(fā)射器0搜索信息

12、包,音頻接收器發(fā)送應(yīng)答信息,音頻接收器和音頻發(fā)射器都鎖定該頻道,以準(zhǔn)備通信。nRF24Z10這種連接方式有助于防止干擾，減少與在2.4G頻段上工作的其它射頻設(shè)備之間的通信碰撞。4.3跳頻通信為了提高射頻通信0抗干擾性和可靠性,信0工作頻率,各個(gè)頻率分別由跳頻寄存器按順序改變工作頻率,也就是說(shuō),當(dāng)nRF24Z1支持自適應(yīng)跳頻通信。CH0CH37控制。在跳頻時(shí)，CH00頻率受到干擾而無(wú)法進(jìn)行射頻連接時(shí)，nRF24Z1具有38個(gè)自適應(yīng)通nRF24Z1根據(jù)跳頻寄存器中0內(nèi)容,nRF24Z1會(huì)使用CH1進(jìn)行連接,如果CH1受到干擾,則使用CH2,依次類(lèi)推。因此，在跳頻通信之前，各個(gè)跳頻寄存器要通過(guò)外部E

13、EPROM或微控制器進(jìn)行初始化。如果想CH0對(duì)應(yīng)于頻率2420MHz,則只需在CH0寄存器中寫(xiě)入20,如果想CH0對(duì)應(yīng)于頻率2440MHz,則只需在CH0寄存器中寫(xiě)入40,這樣,在跳頻通信時(shí),芯片就能夠按順序跳頻到相應(yīng)0頻道。5.應(yīng)用詳述6.結(jié)論H!=g.W心fl|D口Sh-imcciiFCiiiecuminECPIQIDI圖4nRF24Zl發(fā)射器的硬件原理6.結(jié)論6.結(jié)論nRF24Zl的天線ANT1和Odbm時(shí)，該兩nRF24Zl發(fā)射器的外圍元器件及其與微控制器的接口原理如圖部微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用I2S接口與音頻采樣設(shè)備連接。引腳，射頻信號(hào)從這兩個(gè)引腳平衡輸出。由圖4可知，ANT2引腳

14、的兩端負(fù)載阻抗隨輸出功率的變化而改變，目標(biāo)輸出功率為芯片的最大輸出功率引腳的負(fù)載阻抗最好是100Q+jl75Q，在一般應(yīng)用中，可使用4所示,nRF24Zl使用SPI接口與外ANT1和ANT2兩個(gè)引腳為VDD_PA引腳給天線部分提供直流電源。當(dāng)50Q簡(jiǎn)單負(fù)載匹配網(wǎng)絡(luò)。6.結(jié)論6.結(jié)論圖4中，電阻R3可以保證當(dāng)微控制器復(fù)位時(shí)，nRF24Zl寄存中的內(nèi)容保持不變，電阻R4用于防止6.結(jié)論R2為nRF24Zl提DVDDPCB（印制電路板）的設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)nRF24Z1通信系統(tǒng)的射頻性能影響很大，PCB設(shè)計(jì)不好，可能會(huì)造成通信誤碼率高或發(fā)射功率達(dá)到目標(biāo)值，直接影響射頻通信的距離。根據(jù)Nordic公司的推薦，

15、nRF24Zl的電路板至少用兩層板，直流供電電源模塊盡量靠近VDD引腳，盡量避免電源線過(guò)長(zhǎng)，以減少因電路板工作過(guò)程中，因線路耦合帶入過(guò)大的干擾3。直流供電電源模塊應(yīng)該并接一個(gè)4.7uF的電容到數(shù)字地，以達(dá)到穩(wěn)壓和濾波的目的。此外，應(yīng)該把nRF24Zl的電源跟電路板上其它器件的電源隔離開(kāi)，以減少因其它器件工作過(guò)程中電流變化所產(chǎn)生的干擾。nRF24Zl芯片的所有VSS引腳應(yīng)該直接連接到數(shù)字地敷銅層，并在這SPI接口的誤激活，這兩個(gè)電阻在使用中可以省去，但這樣做會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電阻供參考電流，該電阻為22kQ時(shí)，芯片的通信性能最優(yōu)，改變?cè)撾娮璧淖柚禃?huì)影響芯片的通信性能。引腳為nRF24Zl片內(nèi)數(shù)字供電電壓的可調(diào)整輸出引腳，該引腳的主要作用是為芯片提供去耦通路。在應(yīng)用中，DVDD引腳需要接一個(gè)33nF的電容到數(shù)字地，而不能用于為其它片外器件的提供電源，也不能直接和VDD引腳連在一起。6.結(jié)論6.結(jié)論些引腳附近打些過(guò)孔，以使頂層和底層間的敷銅層連接良好。數(shù)字控制信號(hào)線最好能夠離晶振部分和