基于nRF24E1無線耳麥的設計與實現

摘要： 介紹了一種基于nRF24E1的應用于家用電視及個人電腦的無線耳麥，詳細闡述了無線耳麥的硬件設計方法，說明了語音發送和接收的工作原理，并給出了軟件設計的主要工作流程。

0 前言

當前，隨著Interne t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。

1 nRF24E1介紹

nRF24E1芯片是北歐集成電路公司NORD IC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nRF24E 1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( Analog to D ig ital Converter, 模數轉換器) , 它的采樣頻每個RF(R adio Frequency, 射頻)數據包含有24個字節或3m s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( TxBu f) 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