2.4GHz無線數(shù)字音頻芯片nRF24Z1及其應用
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【摘 要】nRF24Z1是Nordic半導體公司推出的2.4GHz無線數(shù)字音頻收發(fā)芯片。本文介紹了用nRF24Z1組成音頻系統(tǒng)的基本框架,詳細闡述了該芯片的音頻發(fā)射器、音頻接收器、音頻輸入接口、音頻輸出接口、芯片控制接口和中斷輸出等模塊的結(jié)構,分析了射頻協(xié)議、射頻初始化方法和跳頻通信方法,并給出應用電路原理圖和講述PCB制板的經(jīng)驗。在文章的最后,對全文進行了總結(jié)。
【關鍵詞】射頻,nRF24Z1,無線通信,音頻,應用
1. 引言
nRF24Z1是挪威Nordic半導體公司于2005年推出的單片式CD(Compact Disc,光盤)音質(zhì)無線數(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2.0~3.6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/菲利浦數(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)的無縫連接,S/PDIF 接口提供了與PC和環(huán)繞設備的直接接口。通過SPI或I2C接口來對芯片進行控制。同時還提供了控制信息如音量,平衡,顯示等雙向傳輸?shù)墓δ?,是一個使用、性能、成本相結(jié)合的數(shù)字音頻芯片??蓱糜?SPAN lang=EN-US>CD無線耳機、無線音箱、MP3無線耳機、無線音頻下載器等系統(tǒng)中。
2. 無線音頻系統(tǒng)
nRF24Z1能夠以高達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的無線音頻系統(tǒng)的結(jié)構框圖,在該系統(tǒng)中,只需使用簡單的或低速的微控制器或DSP(數(shù)字信號處理器)即可完成系統(tǒng)的控制,微控制器通常通過串行口或并行口控制一些簡單的任務,如音量調(diào)節(jié)等。
圖1 使用nRF24Z1的無線音頻系統(tǒng)框圖
由圖1可見,音頻數(shù)據(jù)的傳輸是由一對nRF24Z1實現(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SPI或I2S接口進行控制。在接收端,外圍電路如DAC的控制可以由發(fā)送端的nRF24Z1通過控制信道進行控制[1]。如果設計中沒有使用微控制器,則配置數(shù)據(jù)可以通過片外的EEPROM/FLASH存儲器進行加載。
在無線音頻流處理系統(tǒng)中,音頻數(shù)據(jù)的流向總是從聲源(如CD播放器)到聲宿(如揚聲器)。本系統(tǒng)中,在聲源端使用nRF24Z1進行音頻數(shù)據(jù)的發(fā)送,在聲宿端使用nRF24Z1進行音頻數(shù)據(jù)的接收。鑒于上述的收發(fā)差異性,nRF24Z1可能通過MODE引腳設置其工作于發(fā)射器模式或接收器模式,這兩種模式下,nRF24Z1片內(nèi)工作的模塊和I/O引腳功能都有很大差異。
1. 芯片結(jié)構
3.1音頻發(fā)射器
當nRF24Z1作為音頻發(fā)射器時,MODE引腳必須置為高電平。nRF24Z1作為音頻發(fā)射器時,其片內(nèi)功能結(jié)構如圖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三個引腳組成,S/PDIF接口只需要SPDIO一個引腳,在聲源與nRF24Z1距離比較近時,推薦使用I2S接口,反之,推薦使用S/PDIF接口。
圖2 nRF24Z1作為音頻發(fā)射器時的功能結(jié)構圖
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,MCLK引腳作為模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣時鐘引腳。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..1.2控制接口
當使用外部微控制器來控制nRF24Z1時,音頻發(fā)射器與音頻接收器的配置和控制數(shù)據(jù)可以通過標準2線接口或SPI接口提供,這兩個接口也可用于從音頻接收器讀回狀態(tài)信息。這兩個接口的寄存器地址相同,不能同時使用。2線接口和SPI接口通過SSEL引腳選用,SSEL引腳為低時選用SPI接口,SSEL引腳為高時,選用標準2線接口。
當不使用外部微控制器來控制nRF24Z1時,可以在SPI接口或標準2線接口外掛EEPROM或FLASH存儲器,nRF24Z1在上電或復位時,從存儲器讀取默認的配置數(shù)據(jù)。
1.1. 3直接數(shù)據(jù)輸入引腳
nRF24Z1音頻發(fā)射器有兩個通用輸入引腳DD1和DD0,當SSEL引腳為高,DD2引腳和DD1、DD0引腳一起用于直接數(shù)據(jù)輸入,此時,音頻接收器端的DO2、DO1和DO0三個引腳的信號為DD2、DD1和DD0引腳的鏡像。這些用于控制音頻接收器的一些外部開關,這樣,音頻接收器在沒有微控制器的參與也能實現(xiàn)一些簡單功能(如音量開關)的控制。
3.1.4中斷輸出
在nRF24Z1檢測到?jīng)]有音頻輸入、射頻連接斷開等信息時,其可以通過IRQ引腳給微控制器提供中斷信號,此時,微控制器可以通過控制接口讀取nRF24Z1的狀態(tài)信息。
3.2音頻接收器
nRF24Z1用作音頻接收器時,MODE引腳必須為低電平。nRF24Z1作為音頻接收器時,其片內(nèi)功能結(jié)構如圖3所示。此時,I2S接口或S/PDIF接口用作音頻數(shù)據(jù)或其它實時數(shù)據(jù)的輸出接口。
圖3 nRF24Z1作為音頻接收器時的功能結(jié)構圖
射頻連接建立后,用戶可以通過音頻發(fā)射器控制音頻接收器的SPI接口或標準2線接口。這個特性使音頻發(fā)射器能夠?qū)σ纛l接收器的DAC和放大器實現(xiàn)遙控。
1.1. 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48 kHz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。
3.2.2控制接口
可以在SPI接口或標準2線接口外掛EEPROM或FLASH存儲器,nRF24Z1在上電或復位時,從存儲器讀取默認的配置數(shù)據(jù)。如果沒有外掛存儲器,芯片將使用其自身的默認值。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,用戶可以通過音頻發(fā)射器來控制音頻接收器的SPI接口。 在重新啟動時,音頻接收器的2線接口工作于100kHz的速率,之后,用戶可以通過音頻發(fā)射器配置其工作于100kHz、400kHz或1MHz。與音頻發(fā)射器一樣,nRF24Z1音頻接收器工作于SPI接口還是標準2線接口,是由SSEL引腳的電平?jīng)Q定的。
2. 射頻通信
4.1射頻協(xié)議
nRF24Z1的射頻協(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度和接收器的地址。協(xié)議地址長度最大為5個字節(jié),地址的內(nèi)容存放在片內(nèi)存儲器ADDR0~ADDR5,5個字節(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)射器在所有可用的頻道上,反復地向音頻接收器發(fā)送搜索信息包,在每個頻道上搜索一段時間,以使音頻接收器能夠接收和處理搜索信息。與此同時,音頻接收器也在所有可用的頻道上監(jiān)聽信息,每個頻道監(jiān)聽一段時間,一旦監(jiān)聽到來自音頻發(fā)射器的搜索信息包,音頻接收器發(fā)送應答信息,音頻接收器和音頻發(fā)射器都鎖定該頻道,以準備通信。nRF24Z1的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備之間的通信碰撞。
4.3跳頻通信
為了提高射頻通信的抗干擾性和可靠性,nRF24Z1支持自適應跳頻通信。nRF24Z1具有38個自適應通信的工作頻率,各個頻率分別由跳頻寄存器CH0~CH37控制。在跳頻時,nRF24Z1根據(jù)跳頻寄存器中的內(nèi)容,按順序改變工作頻率,也就是說,當CH0的頻率受到干擾而無法進行射頻連接時,nRF24Z1會使用CH1進行連接,如果CH1受到干擾,則使用CH2,依次類推。因此,在跳頻通信之前,各個跳頻寄存器要通過外部EEPROM或微控制器進行初始化。如果想CH0對應于頻率2420MHz,則只需在CH0寄存器中寫入20,如果想CH0對應于頻率2440MHz,則只需在CH0寄存器中寫入40,這樣,在跳頻通信時,芯片就能夠按順序跳頻到相應的頻道。
3. 應用詳述
圖4 nRF24Z1發(fā)射器的硬件原理
nRF24Z1發(fā)射器的外圍元器件及其與微控制器的接口原理如圖4所示,nRF24Z1使用SPI接口與外部微控制器進行數(shù)據(jù)傳輸,使用I2S接口與音頻采樣設備連接。ANT1和ANT2兩個引腳為nRF24Z1的天線引腳,射頻信號從這兩個引腳平衡輸出。由圖4可知,VDD_PA引腳給天線部分提供直流電源。當ANT1和ANT2引腳的兩端負載阻抗隨輸出功率的變化而改變,目標輸出功率為芯片的最大輸出功率0dbm時,該兩引腳的負載阻抗最好是100Ω+j175Ω,在一般應用中,可使用50Ω簡單負載匹配網(wǎng)絡。
圖4中,電阻R3可以保證當微控制器復位時,nRF24Z1寄存中的內(nèi)容保持不變,電阻R4用于防止SPI接口的誤激活,這兩個電阻在使用中可以省去,但這樣做會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性。電阻R2為nRF24Z1提供參考電流,該電阻為22kΩ時,芯片的通信性能最優(yōu),改變該電阻的阻值會影響芯片的通信性能。DVDD引腳為nRF24Z1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。在應用中,DVDD引腳需要接一個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。
PCB(印制電路板)的設計對整個nRF24Z1通信系統(tǒng)的射頻性能影響很大,PCB設計不好,可能會造成通信誤碼率高或發(fā)射功率達到目標值,直接影響射頻通信的距離。根據(jù)Nordic公司的推薦,nRF24Z1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,盡量避免電源線過長,以減少因電路板工作過程中,因線路耦合帶入過大的干擾[3]。直流供電電源模塊應該并接一個4.7uF的電容到數(shù)字地,以達到穩(wěn)壓和濾波的目的。此外,應該把nRF24Z1的電源跟電路板上其它器件的電源隔離開,以減少因其它器件工作過程中電流變化所產(chǎn)生的干擾。nRF24Z1芯片的所有VSS引腳應該直接連接到數(shù)字地敷銅層,并在這些引腳附近打些過孔,以使頂層和底層間的敷銅層連接良好。數(shù)字控制信號線最好能夠離晶振部分和電源部分遠些。總之,在設計PCB時,主要考慮周圍元器件的布置、天線匹配網(wǎng)絡、走線、電路板的體積和敷銅等方面的影響,設計者可以從Nordic公司的網(wǎng)站更多的參考資料。
1. 結(jié)論
根據(jù)應用的需求,挪威Nordic半導體公司推出的CD音質(zhì)的2.4GHz無線數(shù)字音頻收發(fā)芯片nRF24Z1,給無線音頻處理系統(tǒng)提供低成本的選擇,很好的滿足了市場的需求。本文基于應用的目的,從技術的角度闡述了nRF24Z1,為音頻系統(tǒng)設計師提供技術參考。nRF24Z1在音頻處理系統(tǒng)中會得到更廣泛的應用。