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0前言 當前，隨著Internet和個人電腦的普及，人們通常使用有線的耳麥進行語音聊天。由于有線耳麥的局限性，使人們必須坐在電腦前才能語音聊天。 如果時間久了，會造成電腦對人體的輻射，從而影響人的健康；在家用電視方面，人們通常使用電視內置喇叭來聽電視傳來的聲音，這樣有時候會給家庭其他成員的工作與休息造成一定的影響。 基于這些問題，本文設計并實現了一種基于nRF24E1的無線耳麥。本設計具有抗干擾能力強、保密性好、音質好、成本較低等優點。其室內傳輸距離在30米左右，從而減少電腦對人體的輻射，并且不影響家庭其他成員的休息與工作。 該無線耳麥使用當前最先進的無線收發芯片nRF24E1，它可以在世界公用的ISM頻段2.4G~2.5GHZ內實現語音的無線通信。 1nRF24E1介紹 nRF24E1芯片是北歐集成電路公司NORDIC推出的一款帶2.4GHz無線收發器nRF2401和增強型8051內核的無線收發模塊。該芯片的通道運算時間小于200us，數據速率為1Mbps，不需要外接SAW濾波器，是目前世界首推的全球通用的低成本射頻系統級芯片。內部嵌有與8051兼容的微處理器和10位9輸入的模/數轉換器，可以在1.9V~3.6V之間的電壓下穩定工作；另外還嵌有電壓調整器和VDD電壓監視器。無線收發部分有與nRF2401同樣的功能，該功能由內部并行口和內部SPI啟動，每一個待發信號對于處理器來講都可以作為中斷進行編程，或者通過GPIO端口傳送給微處理器。nRF24E1芯片可以在世界公用的ISM（工業、科學和醫學）頻段2.4~2.5GHz內實現無線通訊。其收發部分包含有分頻器、放大器、調節器和兩個收發單元，輸出能量、頻段和其它射頻參數可通過射頻寄存器方便地編程調節。在發送模式下，電流消耗只有10.5mA；在接收模式下，電流消耗也只有18mA，所以功耗相當低。 2無線耳麥的硬件結構設計 無線耳麥主要由插頭部分和耳麥部分組成。插頭部分主要由兩個插頭和nRF24E1組成。這兩個插頭，分別是麥克風插頭和耳機插頭，它們分別插在電腦的麥克風插孔和耳機插孔或家用電視的耳機插孔；耳麥部分主要由麥克風、耳機和nRF24E1組成。其硬件結構框圖如圖1所示。無線耳麥通過無線語音收發芯片nRF24E1實現語音的雙向通信。 無線耳麥可以把人說話的聲音經麥克風送進電腦；也可以把電腦或者電視的聲音送到無線耳麥的耳機里。無論是把語音送到電腦或者電視里，還是把語音送到耳機里，單向語音傳送的工作原理是一致的。 
圖1無線耳麥的硬件結構框圖 nRF24E1芯片內嵌有9通道的10位ADC（AnalogtoDigitalConverter，模數轉換器），它的采樣頻每個RF（RadioFrequency，射頻）數據包含有24個字節或3ms的音頻采樣信號。無線耳麥把人聲送進電腦或者電視的發送和接收過程如圖2所示： 在發送端，ADC對麥克風送過來的模擬音頻信號進行A/D轉換；采集到的數字音頻信號，在不夠一個RF數據包之前，存儲在微控制器8051內開辟的發送緩沖區（TxBuf）中；采樣數據滿包后，8051一邊存儲下一個數據包，一邊把已滿的數據包轉移到RF前端nRF2401，經nRF2401把數據包發射出去。 發送端的電路圖3如圖所示。在麥克風和nRF2401的ADC模塊之間，需要有前置濾波放大電路。它對麥克風拾到的模擬音頻信號進行濾波放大。放大后的模擬音頻信號被送到ADC中。
圖2單向的語音發送及接收過程
圖3語音的發送電路圖 在接收端，當RF前端nRF2401收到1個有效的數據包，并且微控制器收到1個RF接收中斷的時候，接收到的數據包中的有效數據部分可用RF前端的FIFO分離出來；然后，把分離出的有效數據部分存儲到8051內的接收緩沖區（RxBuf）；存在接收緩沖區的語音信號以PWM信號的形式輸出；PWM輸出通過8位PWM引擎來驅動，不需要微控制器分擔處理任務；最后語音信號經PWM信號送出去。接收端的電路圖如4圖所示。nRF24E1芯片提供一個PWM輸出口。nRF24E1的PWM輸出信號，通過一級放大，就可以得到所需的音頻模擬信號。
圖4語音的接收電路圖 3系統軟件設計無線耳麥的功能是實現語音的雙向通信。它的兩個部分：插頭部分和耳麥部分的工作流程基本是一致的。其工作流程如下： 1.系統上電，打開系統；2.進行初始化。對8051的定時器time2、PWM輸出端口、ADC轉換器、RADIO、SPI接口和無線收發模塊nRF2401進行初始化；3.判斷是否要發送語音信號，如果有則發送，然后進入步驟4；4.如果沒有語音發送，則判斷是否要接收語音信號。如果有，則接收，然后進行步驟3；5.如果沒有語音接收，則重新進行步驟3。 其相應的流程圖如5圖所示：
圖5插頭部分和耳麥部分的工作流程圖 初始化主要是對定時器time2、PWM、ADC、RADIO、SPI、nRF2401進行初始化。其中，定時器time2主要是用于產生定時中斷觸發。在本系統中，time2每隔125us，產生一個中斷，從而使系統對麥克風輸出的模擬音頻信號進行數字采樣，其采樣頻率是8KHz.對time2的初始化，主要是讓time2能正常的工作，并且每隔125us就溢出，從而產生中斷；nRF24E1芯片提供一個PWM輸出口，PWM的輸出是一系列的數字信號。在PWM的輸出端加上一個低通濾波器，再進行一級放大，得到所需的模擬音頻信號，隨后再把得到的模擬音頻信號送到耳機里。對PWM初始化，主要是使P0.7端口具有PWM輸出功能，并確定輸出是8bi，t同時初始化PWMDUTY寄存器；ADC主要用來對麥克風送來的模擬語音信號進行模數轉換。對ADC的初始化，主要是確定8bit量化，同時確定把麥克風送來的模擬語音信號接到9個通道的Channel1通道；對RADIO的初始化，主要是讓nRF2401上電開始工作；對SPI的初始化，主要是讓其跟nRF2401連接，從而實現單片機8051與nRF2401的通信；對nRF2401的初始化，主要是來設置無線收發模塊nRF2401的工作頻率、晶振的始終頻率、nRF2401的輸出功率、通道1的地址、使用通道1收發數據的數據大小、以及通道2的地址和使用通道2收發數據的數據大小。4結束語 本設計是基于無線語音收發芯片nRF24E1的無線耳麥。它主要應用于家用電視和家用電腦。當然，也可以實現其他的附加功能。不用插頭部分，多個耳麥部分可以構成一個小型的無線通信網絡，可以實現多人的短距離無線語音通訊。 與其他同類產品相比，該設計具有結構簡單、抗干擾能力強、保密性好、功耗低、成本較低等優點。因此本設計有著良好的市場前景和發展前景。 |
