基于nRF24E1无线耳麦的设计与实现

 摘要： 介绍了一种基于nRF24E1的应用于家用电视及个人电脑的无线耳麦，详细阐述了无线耳麦的硬件设计方法，说明了语音发送和接收的工作原理，并给出了软件设计的主要工作流程。

0 前言

当前，随着Interne t和个人电脑的普及，人们通常使用有线的耳麦进行语音聊天。由于有线耳麦的局限性，使人们必须坐在电脑前才能语音聊天。

如果时间久了，会造成电脑对人体的辐射，从而影响人的健康; 在家用电视方面，人们通常使用电视内置喇叭来听电视传来的声音，这样有时候会给家庭其他成员的工作与休息造成一定的影响。

基于这些问题，本文设计并实现了一种基于nRF24E1的无线耳麦。本设计具有抗干扰能力强、保密性好、音质好、成本较低等优点。其室内传输距离在30米左右，从而减少电脑对人体的辐射，并且不影响家庭其他成员的休息与工作。

该无线耳麦使用当前最先进的无线收发芯片nRF24E1, 它可以在世界公用的ISM 频段2. 4G ~2. 5GHZ内实现语音的无线通信。

1 nRF24E1介绍

nRF24E1芯片是北欧集成电路公司NORD IC推出的一款带2. 4GHz无线收发器nRF2401和增强型8051内核的无线收发模块。该芯片的通道运算时间小于200us, 数据速率为1Mbps, 不需要外接SAW滤波器，是目前世界首推的全球通用的低成本射频系统级芯片。内部嵌有与8051 兼容的微处理器和10位9输入的模/数转换器，可以在1. 9V~ 3. 6V 之间的电压下稳定工作; 另外还嵌有电压调整器和VDD 电压监视器。无线收发部分有与nRF2401同样的功能，该功能由内部并行口和内部SPI启动，每一个待发信号对于处理器来讲都可以作为中断进行编程，或者通过GPIO 端口传送给微处理器。nRF24E1芯片可以在世界公用的ISM (工业、科学和医学)频段2. 4 ~ 2. 5GHz内实现无线通讯。其收发部分包含有分频器、放大器、调节器和两个收发单元，输出能量、频段和其它射频参数可通过射频寄存器方便地编程调节。在发送模式下，电流消耗只有10. 5mA; 在接收模式下，电流消耗也只有18mA, 所以功耗相当低。

2 无线耳麦的硬件结构设计

无线耳麦主要由插头部分和耳麦部分组成。插头部分主要由两个插头和nRF24E 1组成。这两个插头，分别是麦克风插头和耳机插头，它们分别插在电脑的麦克风插孔和耳机插孔或家用电视的耳机插孔; 耳麦部分主要由麦克风、耳机和nRF24E1组成。其硬件结构框图如图1所示。无线耳麦通过无线语音收发芯片nRF24E1实现语音的双向通信。

无线耳麦可以把人说话的声音经麦克风送进电脑;也可以把电脑或者电视的声音送到无线耳麦的耳机里。无论是把语音送到电脑或者电视里，还是把语音送到耳机里，单向语音传送的工作原理是一致的。

图1 无线耳麦的硬件结构框图

nRF24E1芯片内嵌有9通道的10位ADC( Analog to D ig ital Converter, 模数转换器) , 它的采样频每个RF(R adio Frequency, 射频)数据包含有24个字节或3m s的音频采样信号。

无线耳麦把人声送进电脑或者电视的发送和接收过程如图2所示：

在发送端，ADC 对麦克风送过来的模拟音频信号进行A /D转换; 采集到的数字音频信号，在不够一个RF数据包之前，存储在微控制器8051内开辟的发送缓冲区( TxBu f) 中; 采样数据满包后，8051一边存储下一个数据包，一边把已满的数据包转移到RF前端nRF2401, 经nRF2401把数据包发射出去。

发送端的电路图3 如图所示。在麦克风和nRF2401的ADC模块之间，需要有前置滤波放大电路。它对麦克风拾到的模拟音频信号进行滤波放大。放大后的模拟音频信号被送到ADC中。

图2 单向的语音发送及接收过程

图3 语音的发送电路图

在接收端，当RF前端nRF2401收到1个有效的数据包，并且微控制器收到1个RF接收中断的时候，接收到的数据包中的有效数据部分可用RF前端的FIFO 分离出来; 然后，把分离出的有效数据部分存储到8051内的接收缓冲区( RxBuf); 存在接收缓冲区的语音信号以PWM 信号的形式输出;PWM输出通过8位PWM 引擎来驱动，不需要微控制器分担处理任务; 最后语音信号经PWM 信号送出去。

接收端的电路图如4图所示。nRF24E1芯片提供一个PWM输出口。nRF24E1的PWM 输出信号，通过一级放大，就可以得到所需的音频模拟信号。

图4 语音的接收电路图

3 系统软件设计

无线耳麦的功能是实现语音的双向通信。它的两个部分： 插头部分和耳麦部分的工作流程基本是一致的。其工作流程如下：

1. 系统上电，打开系统;2. 进行初始化。对8051的定时器time2、PWM输出端口、ADC 转换器、RADIO、SPI接口和无线收发模块nRF2401进行初始化;3. 判断是否要发送语音信号，如果有则发送，然后进入步骤4;4. 如果没有语音发送，则判断是否要接收语音信号。如果有，则接收，然后进行步骤3;5. 如果没有语音接收，则重新进行步骤3。

其相应的流程图如5图所示：

图5 插头部分和耳麦部分的工作流程图

初始化主要是对定时器time2、PWM、ADC、RADIO、SPI、nRF2401进行初始化。其中，定时器t ime2主要是用于产生定时中断触发。在本系统中，t ime2每隔125us, 产生一个中断，从而使系统对麦克风输出的模拟音频信号进行数字采样，其采样频率是8KH z. 对t ime2 的初始化，主要是让t ime2 能正常的工作，并且每隔125us就溢出，从而产生中断;nRF24E1芯片提供一个PWM输出口，PWM 的输出是一系列的数字信号。在PWM 的输出端加上一个低通滤波器，再进行一级放大，得到所需的模拟音频信号，随后再把得到的模拟音频信号送到耳机里。对PWM 初始化，主要是使P0. 7端口具有PWM输出功能，并确定输出是8b i,t 同时初始化PWMDUTY寄存器; ADC主要用来对麦克风送来的模拟语音信号进行模数转换。对ADC 的初始化，主要是确定8b it量化，同时确定把麦克风送来的模拟语音信号接到9个通道的Channe l 1 通道; 对RADIO的初始化，主要是让nRF2401上电开始工作; 对SPI的初始化，主要是让其跟nRF2401连接，从而实现单片机8051与nRF2401的通信; 对nRF2401的初始化，主要是来设置无线收发模块nRF2401的工作频率、晶振的始终频率、nRF2401的输出功率、通道1的地址、使用通道1收发数据的数据大小、以及通道2的地址和使用通道2收发数据的数据大小。

4 结束语

本设计是基于无线语音收发芯片nRF24E1 的无线耳麦。它主要应用于家用电视和家用电脑。当然，也可以实现其他的附加功能。不用插头部分，多个耳麦部分可以构成一个小型的无线通信网络，可以实现多人的短距离无线语音通讯。

与其他同类产品相比，该设计具有结构简单、抗干扰能力强、保密性好、功耗低、成本较低等优点。因此本设计有着良好的市场前景和发展前景。