2.4GHz无线数字音频芯片nRF24Z1及其应用

作者Email: liekie@sina.com 【摘　要】nRF24Z1是Nordic半导体公司推出的2.4GHz无线数字音频收发芯片。本文介绍了用nRF24Z1组成音频系统的基本框架，详细阐述了该芯片的音频发射器、音频接收器、音频输入接口、音频输出接口、芯片控制接口和中断输出等模块的结构，分析了射频协议、射频初始化方法和跳频通信方法，并给出应用电路原理图和讲述PCB制板的经验。在文章的最后，对全文进行了总结。 【关键词】射频，nRF24Z1，无线通信，音频，应用 1. 引言 nRF24Z1是挪威Nordic半导体公司于2005年推出的单片式CD（Compact Disc，光盘）音质无线数字音频芯片，其能以24位48kHz的速度处理数字音频流。芯片工作于2.4GHz自由频段，工作电压为2.0"3.6伏，片内集成了电压管理器，能够最大限度地抑制噪声。nRF24Z1有I2S串行接口和S/PDIF接口（索尼/菲利浦数字接口）两种数字音频接口，I2S提供了与各种低成本的A/D（模/数转换）和D/A（数/模转换）的无缝连接，S/PDIF 接口提供了与PC和环绕设备的直接接口。通过SPI或I2C接口来对芯片进行控制。同时还提供了控制信息如音量，平衡，显示等双向传输的功能，是一个使用、性能、成本相结合的数字音频芯片。可应用于CD无线耳机、无线音箱、MP3无线耳机、无线音频下载器等系统中。 2. 无线音频系统 nRF24Z1能够以高达1.54Mbit/s的速率处理音频流，音频数据的输入/输出、射频协议和射频连接等工作由片内的硬件完成。图1所示为使用nRF24Z1的无线音频系统的结构框图，在该系统中，只需使用简单的或低速的微控制器或DSP(数字信号处理器)即可完成系统的控制，微控制器通常通过串行口或并行口控制一些简单的任务，如音量调节等。 图1　使用nRF24Z1的无线音频系统框图 由图1可见，音频数据的传输是由一对nRF24Z1实现的，音频数据最终提供给接收端的立体声DAC(数模转换器)。nRF24Z1的初始配置由微控制器通过SPI或I2S接口进行控制。在接收端，外围电路如DAC的控制可以由发送端的nRF24Z1通过控制信道进行控制[1]。如果设计中没有使用微控制器，则配置数据可以通过片外的EEPROM/FLASH存储器进行加载。 在无线音频流处理系统中，音频数据的流向总是从声源(如CD播放器)到声宿(如扬声器)。本系统中，在声源端使用nRF24Z1进行音频数据的发送，在声宿端使用nRF24Z1进行音频数据的接收。鉴于上述的收发差异性，nRF24Z1可能通过MODE引脚设置其工作于发射器模式或接收器模式，这两种模式下，nRF24Z1片内工作的模块和I/O引脚功能都有很大差异。 1. 芯片结构 3.1音频发射器 当nRF24Z1作为音频发射器时，MODE引脚必须置为高电平。nRF24Z1作为音频发射器时，其片内功能结构如图2所示。I2S接口或S/PDIF接口可以用作音频数据的输入接口。I2S接口由CLK、DATA和WS三个引脚组成，S/PDIF接口只需要SPDIO一个引脚，在声源与nRF24Z1距离比较近时，推荐使用I2S接口，反之，推荐使用S/PDIF接口。 图2　 nRF24Z1作为音频发射器时的功能结构图 3..1.1音频输入接口[2] 音频发射器的I2S接口支持8、11.025、12、16、22.05、24、32、48和96kHz多种接口速率，音频数据可以采用16位、20位或24位三种数字格式。nRF24Z1同时也可以用于模拟声源的数据采样，其采样频率为256Hz，此时，MCLK引脚作为模数转换器的采样时钟引脚。S/PDIF接口支持32、44.1和48kHz三种采样速率，音频数据可以采用16位、20位或24位三种数字格式。 3..1.2控制接口 当使用外部微控制器来控制nRF24Z1时，音频发射器与音频接收器的配置和控制数据可以通过标准2线接口或SPI接口提供，这两个接口也可用于从音频接收器读回状态信息。这两个接口的寄存器地址相同，不能同时使用。2线接口和SPI接口通过SSEL引脚选用，SSEL引脚为低时选用SPI接口，SSEL引脚为高时，选用标准2线接口。 当不使用外部微控制器来控制nRF24Z1时，可以在SPI接口或标准2线接口外挂EEPROM或FLASH存储器，nRF24Z1在上电或复位时，从存储器读取默认的配置数据。 1.1. 3直接数据输入引脚 nRF24Z1音频发射器有两个通用输入引脚DD1和DD0，当SSEL引脚为高，DD2引脚和DD1、DD0引脚一起用于直接数据输入，此时，音频接收器端的DO2、DO1和DO0三个引脚的信号为DD2、DD1和DD0引脚的镜像。这些用于控制音频接收器的一些外部开关，这样，音频接收器在没有微控制器的参与也能实现一些简单功能(如音量开关)的控制。 3.1.4中断输出 　　在nRF24Z1检测到没有音频输入、射频连接断开等信息时，其可以通过IRQ引脚给微控制器提供中断信号，此时，微控制器可以通过控制接口读取nRF24Z1的状态信息。 3.2音频接收器 nRF24Z1用作音频接收器时，MODE引脚必须为低电平。nRF24Z1作为音频接收器时，其片内功能结构如图3所示。此时，I2S接口或S/PDIF接口用作音频数据或其它实时数据的输出接口。 图3　 nRF24Z1作为音频接收器时的功能结构图 射频连接建立后，用户可以通过音频发射器控制音频接收器的SPI接口或标准2线接口。这个特性使音频发射器能够对音频接收器的DAC和放大器实现遥控。 1.1. 1音频输出接口 音频接收器的I2S接口支持8、11.025、12、16、22.05、24、32和48 kHz多种接口速率，音频数据为16位格式。在音频接收器模式下，MCLK引脚给外部DAC(数模转换器)256Hz的输出频率。音频接收器的S/PDIF接口支持32、44.1和48kHz三种采样速率，音频数据可以采用16位或24位三种格式。 3.2.2控制接口 可以在SPI接口或标准2线接口外挂EEPROM或FLASH存储器，nRF24Z1在上电或复位时，从存储器读取默认的配置数据。如果没有外挂存储器，芯片将使用其自身的默认值。在音频接收器的配置中，SPI接口可以工作于1MHz或0.5MHz的速率。当音频接收器与音频发射器建立了射频连接之后，用户可以通过音频发射器来控制音频接收器的SPI接口。　　在重新启动时，音频接收器的2线接口工作于100kHz的速率，之后，用户可以通过音频发射器配置其工作于100kHz、400kHz或1MHz。与音频发射器一样，nRF24Z1音频接收器工作于SPI接口还是标准2线接口，是由SSEL引脚的电平决定的。 2. 射频通信 4.1射频协议 　　nRF24Z1的射频协议完全由其片内硬件处理，用户只需配置射频通信的地址长度和接收器的地址。协议地址长度最大为5个字节，地址的内容存放在片内存储器ADDR0"ADDR5，5个字节依次存放，低字节在前，高字节在后。 4.2射频连接初始化 　　在射频连接建立之前，音频发射器在所有可用的频道上，反复地向音频接收器发送搜索信息包，在每个频道上搜索一段时间，以使音频接收器能够接收和处理搜索信息。与此同时，音频接收器也在所有可用的频道上监听信息，每个频道监听一段时间，一旦监听到来自音频发射器的搜索信息包，音频接收器发送应答信息，音频接收器和音频发射器都锁定该频道，以准备通信。nRF24Z1的这种连接方式有助于防止干扰，减少与在2.4G频段上工作的其它射频设备之间的通信碰撞。 4.3跳频通信 　　为了提高射频通信的抗干扰性和可靠性，nRF24Z1支持自适应跳频通信。nRF24Z1具有38个自适应通信的工作频率，各个频率分别由跳频寄存器CH0"CH37控制。在跳频时，nRF24Z1根据跳频寄存器中的内容，按顺序改变工作频率，也就是说，当CH0的频率受到干扰而无法进行射频连接时，nRF24Z1会使用CH1进行连接，如果CH1受到干扰，则使用CH2，依次类推。因此，在跳频通信之前，各个跳频寄存器要通过外部EEPROM或微控制器进行初始化。如果想CH0对应于频率2420MHz，则只需在CH0寄存器中写入20，如果想CH0对应于频率2440MHz，则只需在CH0寄存器中写入40，这样，在跳频通信时，芯片就能够按顺序跳频到相应的频道。 3. 应用详述 图4　 nRF24Z1发射器的硬件原理 nRF24Z1发射器的外围元器件及其与微控制器的接口原理如图4所示，nRF24Z1使用SPI接口与外部微控制器进行数据传输，使用I2S接口与音频采样设备连接。ANT1和ANT2两个引脚为nRF24Z1的天线引脚，射频信号从这两个引脚平衡输出。由图4可知，VDD_PA引脚给天线部分提供直流电源。当ANT1和ANT2引脚的两端负载阻抗随输出功率的变化而改变，目标输出功率为芯片的最大输出功率0dbm时，该两引脚的负载阻抗最好是100Ω+j175Ω，在一般应用中，可使用50Ω简单负载匹配网络。 图4中，电阻R3可以保证当微控制器复位时，nRF24Z1寄存中的内容保持不变，电阻R4用于防止SPI接口的误激活，这两个电阻在使用中可以省去，但这样做会降低系统的稳定性。电阻R2为nRF24Z1提供参考电流，该电阻为22kΩ时，芯片的通信性能最优，改变该电阻的阻值会影响芯片的通信性能。DVDD引脚为nRF24Z1片内数字供电电压的可调整输出引脚，该引脚的主要作用是为芯片提供去耦通路。在应用中，DVDD引脚需要接一个33nF的电容到数字地，而不能用于为其它片外器件的提供电源，也不能直接和VDD引脚连在一起。 PCB(印制电路板)的设计对整个nRF24Z1通信系统的射频性能影响很大，PCB设计不好，可能会造成通信误码率高或发射功率达到目标值，直接影响射频通信的距离。根据Nordic公司的推荐，nRF24Z1的电路板至少用两层板，直流供电电源模块尽量靠近VDD引脚，尽量避免电源线过长，以减少因电路板工作过程中，因线路耦合带入过大的干扰[3]。直流供电电源模块应该并接一个4.7uF的电容到数字地，以达到稳压和滤波的目的。此外，应该把nRF24Z1的电源跟电路板上其它器件的电源隔离开，以减少因其它器件工作过程中电流变化所产生的干扰。nRF24Z1芯片的所有VSS引脚应该直接连接到数字地敷铜层，并在这些引脚附近打些过孔，以使顶层和底层间的敷铜层连接良好。数字控制信号线最好能够离晶振部分和电源部分远些。总之，在设计PCB时，主要考虑周围元器件的布置、天线匹配网络、走线、电路板的体积和敷铜等方面的影响，设计者可以从Nordic公司的网站更多的参考资料。 1. 结论 根据应用的需求，挪威Nordic半导体公司推出的CD音质的2.4GHz无线数字音频收发芯片nRF24Z1，给无线音频处理系统提供低成本的选择，很好的满足了市场的需求。本文基于应用的目的，从技术的角度阐述了nRF24Z1，为音频系统设计师提供技术参考。nRF24Z1在音频处理系统中会得到更广泛的应用。