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1 射頻收發芯片nRF401 nRF401是挪威Nordic VLSI公司最新推出的單芯片RF收發機，專為在433MHz ISM (工業、科研和醫療) 頻段工作而設計。它是目前集成度最高的無線數傳產品。該芯片集成了高頻發射、高頻接收、PLL合成、FSK 調制、FSK解調、雙頻道切換等功能，具有性能優異、功耗低、使用方便等特點。nRF401 的外圍元件很少，僅10個左右。只包括一個4MHz基準晶振(可與MCU共享)、一個PLL環路濾波器和一個VCO電感，收發天線合一，沒有調試部件，這給研制及生產帶來了極大的方便。主要技術特性見表1 所示，其內部結構如圖1所示。 nRF401接收機使用具有較強抗干擾能力的FSK頻移鍵控(Frequency-ShiftKeying)調制方式，改善了噪聲環境下的系統性能；采用DSS+PLL頻率合成技術， 工作頻率穩定可靠。與ASK幅移鍵控(Amplitude-ShiftKeying)和OOK開關鍵控(On-Off Keying)方式相比，這種方式的通信范圍更廣，特別是在附近有類似設備工作的場合。 圖1 nRF401內部框圖 nRF401 無需外接昂貴的變容二極管，而其他競爭產品大多需要外接變容二極管、聲表面波濾波器件等。這些芯片一般需要進行曼徹斯特編碼后才能傳輸，在編程上會需要較高的技巧和經驗，需要更多的內存和程序容量，并且曼徹斯特編碼大大降低數據傳輸的效率，一般僅能達到標稱速率（實際速率）的1/3,因此大大增加了軟件的工作量和產品開發的難度。而nRF401系列獨特的技術可以直接傳送單片機串口數據，應用及編程非常簡單，抗干擾能力強，傳送的效率很高，且使用很方便。 nRF401采用小型20引腳SSOP封裝，管腳數和體積最小，采用非常緊湊的電路板布局，有利于減少PCB面積，降低成本，適合便攜式產品的設計，也有利于開發和生產。3V直流電源供電。接收電流低，僅為11mA，而且在輪流檢測（Polling）模式時可以通過周期性暫停的方法使其更低，以延長電池壽命。它還提供進一步降低電流消耗的待機模式。表2為其部分管腳說明。 nRF401另一個非常重要的特性是接收機的頻帶外阻抗很高(out-of-band blocking)，這意味著它不需要外部聲表面波（SAW）濾波器。此外nRF401的解調器是DC平衡的，因此可以使用任何一種協議，也可以使用各種'0'、'1'序列，因而無需浪費單片機寶貴的處理資源來進行曼徹斯特編碼。nRF401的串口可以與任何單片機接口，也不需要進行設置，應用及編程非常簡單，可直接傳輸串口數據，傳送的效率很高，是一種能方便地與各種單片機配合使用的方案。 2 音頻接口芯片TLV320AIC10 TLV320AIC10是TI公司近年新推出的低功耗∑-Δ型16位A/D、D/A音頻接口（AIC）芯片。模擬接口芯片（AIC）又稱調制解調編解碼器（modem Codec）以其高度可編程性，高性能，低功耗，較少的外圍器件，成為當前語音處理的主流產品。適用于音頻處理，語音增強，語音安全，回聲抵消，VoIP（Voice-over-Internet Protocol）等廣泛的電話或語音應用中。其功能強大的串行接口和應用支持以及低功耗的特性使得TLV320AIC10成為音頻應用的最好的模擬接口。 TLV320AIC10為一通用，3－5.5V Codec，內部集成了16位A/D和D/A轉換器。有兩路模擬輸入通道，一路模擬輸出通道和一對數字I/O口。使用片內FIR濾波器時采樣速率最高可達22ksps，采用片外FIR濾波器時其采樣速率最高可達88ksps，工作方式和采樣速率均可由單片機編程設置。其內部ADC之前有抗混疊濾波器，之后有抽樣濾波器，DAC之前有插值濾波器，接收和發送可同時進行，且輸入輸出增益控制可編程，可工作在單端或差分方式。其獨特的直接DCSI參數設置模式采用單線串行口直接對內部寄存器編程，不受數據轉換串行口的影響。事件控制模式使單片機可監控如電話RING/OFF-HOOK檢測等外部事件。 AIC10由５個控制寄存器控制。其中，控制寄存器１：軟件復位，DAC的16位或15＋1位模式選擇以及抗混疊濾波器、抽樣濾波器、插值濾波器使能／旁路選擇。控制寄存器2：決定工作方式和采樣速率。控制寄存器３：軟件關電，模擬及數字信號反饋和事件控制模式選擇；ADC的16位或15＋1位模式選擇。控制寄存器４：輸入輸出增益控制。AIC的初始化主要就是對這4個寄存器參數進行設定。該器件與單片機接口易于實現，開發和使用更加方便。尤其適合應用于低比特率、高性能密集設備的話音傳輸、識別及合成等的各種VOIP、電纜調制解調器、語音和電話領域。 3系統的硬件連接 接收/發射機應滿足便攜式電池供電設備的一些基本要求，才能適用于無線RF應用。這些基本要求為:方案成本低 ，體積小，低功耗，符合電池供電要求，集成度高，無需微調外部元件，外圍元件極少，加工更容易，數據傳輸率高，傳輸時間更短，接口簡單，可以與廉價的單片機接口。本文所設計的無線集群語音傳輸系統由單片射頻收發芯片nRF401、微控制器MSP430F1121、TLV320AIC10、EPM7128S等芯片組成。其系統的硬件連接如圖2所示。 MSP430F1121是TI公司生產的超低功耗微控制器，具有16位RISC結構，16位CPU寄存器和常數寄存器，4KB ROM，256B FLASH，256B RAM，指令周期時間125ns，超低工作電壓(1.8V-3.6V)，超低功率消耗(1.3uA-160uA)，具有5種省電模式，可串行在線編程，程序代碼由加密熔絲保護。從圖中可以看出，微控制器是系統的"主管"，負責運行協議、控制nRF401的收發狀態, 完成編解碼,并運行系統的應用軟件和硬件，從而節約成本和空間。電路中E2PROM用于存放發射頻率跳變的順序和編碼數據，RAM用于存放需微控制器處理的數據。采用1.5V電池供電，由于系統供電為3V，因此由一個DC/DC變換器完成電源的轉換，為了避免DC/DC轉換電源的噪聲對通信造成影響，采用LC濾波。 nRF401是接收發射合一芯片，即可以接收數據也可以發射數據，工作方式為半雙工。因此該電路即是發射電路也是接收電路。在有鍵按下時為發射狀態，話音信號經TLV320AIC10做A/D變換后，在MSP430F1121的控制下將數據送給nRF401，將其發射出去。無按鍵按下時為接收狀態。 芯片使用時，首先通過微控制器對芯片內部寄存器進行設置，設定工作頻率、發射功率等參數；進入正常工作狀態后，通過微控制器根據需要進行收發轉換控制、發送/接收數據或進行狀態轉換。工作模式如表3 所示。 表3 工作模式設置 EPM7128S用來提供整個系統需要的組合邏輯。它屬于MAX7000系列，是Altera公司的基于第二代MAX結構的CPLD。它提供多達5000個可用門和在系統編程，其引腳到引腳延時快達6ns。可以容納各種各樣的，獨立的組合邏輯和時序邏輯功能。EPM7128S有2個工作電壓，核電壓為5V，I/O工作電壓可設為5V或3.3V。設為3.3V時，其輸入耐5V，而輸出為3.3V TTL電平(所有的驅動器均能配置在3.3V和5V，允許用于混合電壓系統中)。EPM7128S的優點是它基于E2PROM，可以通過JTAG口進行在線編程，設計者可將設計內容從PC機上通過下載電纜和JTAG口對EPM7128S進行任意次修改。在這里使用EPM7128S是為電路提供組合邏輯以映射空間。它有多達100個I/O引腳可供編程使用，方便系統擴展存儲空間和外設。 程序設計時應注意的問題是：nRF401的通訊速率最高為22Kbit/s；接收模式轉換為發射模式的轉換時間至少1ms；可以發送任意長度的數據；發射模式轉換為接收模式的轉換時間至少為3ms。在待機模式時，電路進入待機狀態，電路不接收和發射數據。在低功耗模式時，電路進入不了工作狀態，電路不接收和發射數據。待機模式和低功耗模式轉換為發射模式的轉換時間至少為3ms；待機模式和低功耗模式轉換為接收模式的轉換時間至少2ms。 4 混合信號PCB設計注意問題 一個好的印制電路板(PCB)設計對于獲得好的RF性能是必需的，本系統用兩層板來設計。由于nRF401外圍元件少，是目前集成度最高的RF收發芯片并集成了基帶處理，設計比較方便，但是實際由于高頻電路的特性，工作頻率較高(UHF)，且nRF401 PCB設計是混合信號電路設計,盡管nRF401已經大大簡化了射頻電路設計及要求，設計時仍然需要十分的注意。一般來說有以下原則需要遵循： (1)布線時不能只考慮線能否布通，如果PCB布線布局不合理，可能會大大影響性能和通信距離，這是RF電路設計的特點決定的。因此將PCB分為射頻電路和控制電路兩部分布置。PCB使用雙面板，分為元件面和底面。底面有一個連續的接地面，元件面的接地面保證元件 充分接地，大量的通孔鏈接元件面的接地面和底面的接地面。 (2)合適的零件布局。射頻電路的元件面以nRF401為中心，各元件緊靠其周圍，盡可能減少分布參數的影響。需要說明的是VCO電感的布局是非常重要的，一個經過優化的VCO電感布局將可以給PLL環路濾波器提供一個合適的電壓。匹配網絡的元器件最好靠近nRF401的ANT1和ANT2，以減小雜散電感和雜散電容。 (3)將PCB分區為獨立的模擬部分和數字部分。在電路板的所有層中,數字信號只能在電路板的數字部分布線,模擬信號只能在電路板的模擬部分布線，并且模擬電源和數字電源要分割。nRF401的直流供電必需在離VDD腳盡可能近的地方用高性能的RF電容去藕。如果一個小電容再并上一個較大的電容效果會更好(2.2uF)。射頻部分的電源和數字電路部分的電源分離，nRF401的VSS端直接連接到接地面。 (4)射頻電路的電源使用高性能的射頻電容去耦，去耦電容盡可能靠近nRF401的VDD端，一般還在較大容量的表面貼裝電容旁并聯一個小數值的電容。nRF401的電源必需經過很好的濾波，并且與數字電路供電分離。 (5)布線時，電源線和地線要盡量粗。除減小壓降外，更重要的是降低耦合噪聲。從單片機引入的晶體走線不能離數據線或者控制線太近。注意電源的濾波和電源線的走線。不能將數字信號或控制信號引入到PLL回路濾波器元件上。布線時盡量減少回路環的面積，以降低感應噪聲。 (6)采用正確的布線規則。在PCB板上應該避免長的電源走線，所有元件地線，VDD連接線，VDD去藕電容必需離nRF401盡可能近，如果PCB設計的頂層有鋪銅，VSS腳必需連接到鋪銅面，如果PCB的設計的底層有鋪銅，與VSS的焊盤有一個過孔相連會獲得更好的性能。所有開關數字信號和控制信號都不能經過PLL環路濾波器元件和VCO電感附近。 (7) 充分考慮電源對nRF401的影響。電源做得好，整個電路的抗干擾就解決了一大半。RF電路對電源噪聲很敏感，要給RF電源加濾波電路，以減小電源噪聲對RF電路的干擾。比如，可以利用磁珠和電容組成П型濾波電路，當然條件要求不高時也可用電感代替磁珠。 小結 本文介紹了nRF401的特點，提出了一種將其應用于無線集群語音傳輸系統的實現方案。此方案硬件電路簡單，易于調試，軟件編程也不復雜，是一種較好的設計思路。 |
