2.4GHz無線數(shù)字音頻芯片nRF24Z1及其應(yīng)用

1、2.4GHz無線數(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）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2.03.6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(shè)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

2、了控制信息如音量，平衡，顯示等雙向傳輸?shù)墓δ埽且粋€使用、性能、成本相結(jié)合的數(shù)字音頻芯片?？蓱?yīng)用于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(gòu)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(wù)，如音量調(diào)節(jié)等。：XC3S400-4FG456CLT1931AES5ADM1032ARM-REEIFAN8

3、034LMMSZ5234BT1LC4064V-75T100C780974HC4051LF356NTL3472CD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(shè)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

4、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(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，MODE引腳必須置為高電平。nRF24Zl作為音頻發(fā)射器時，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三個引腳組成，S/PDIF接口只需要SPDIO一個引腳，

5、在聲源與nRF24Zl距離比較近時，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。3.1.3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(dāng)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)輸入引腳存儲器，nRF24Z1在上電或復(fù)位時，從存儲器讀取默認

7、的配置數(shù)據(jù)。nRF24Zl音頻發(fā)射器有兩個通用輸入引腳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，音頻接收器端的D02、DO1和D00三個引腳的信號為DD2、DD1腳的鏡像。這些用于控制音頻接收器的一些外部開關(guān)，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(guān)）的控制。3.1.4中斷輸出在nRF24Zl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

8、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nRF24Zl用作音頻接收器時，MODE引腳必須為低電平。nRF24Zl作為音頻接收器時，其片內(nèi)功能結(jié)構(gòu)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。nRF24Zl音頻發(fā)射器有兩個通用輸入引腳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控制接口這個特性圖3nRF24Zl作為音頻接收器時的功能結(jié)構(gòu)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。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。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接口或標準2線接口外掛EEPROM或FLASHODO,nRF24Zl在上電或復(fù)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(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100kHz000,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

11、，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ADDR0ADDR5,5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0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,各個頻率分別由跳頻寄存器按順序改變工作頻率,也就是說,當(dāng)nRF24Z1支持自適應(yīng)跳頻通信。CH0CH37控制。在跳頻時，CH00頻率受到干擾而無法進行射頻連接時，nRF24Z1具有38個自適應(yīng)通nRF24Z1根據(jù)跳頻寄存器中0內(nèi)容,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E

13、EPROM或微控制器進行初始化。如果想CH0對應(yīng)于頻率2420MHz,則只需在CH0寄存器中寫入20,如果想CH0對應(yīng)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(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，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，射頻信號從這兩個引腳平衡輸出。由圖4可知，ANT2引腳

14、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引腳的負載阻抗最好是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ANT2兩個引腳為VDD_PA引腳給天線部分提供直流電源。當(dāng)50Q簡單負載匹配網(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，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)計對整個nRF24Z1通信系統(tǒng)的射頻性能影響很大，PCB設(shè)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，

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(yīng)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(yīng)該把nRF24Zl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。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。電阻供參考電流，該電阻為22kQ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。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