基于ｎＲＦ２４Ｚ新型芯片的無線耳機(jī)設(shè)計

摘要： 現(xiàn)有的無線耳機(jī)產(chǎn)品，由于價格、音質(zhì)、體積等方面的制約，未能得到廣泛應(yīng)用。本文綜述了國內(nèi)外現(xiàn)有近距離無線音頻傳輸技術(shù)與產(chǎn)品現(xiàn)狀，針對上述問題，設(shè)計了基于nRF24Z1新型芯片的解決方案，通過測試，效果良好，達(dá)到了產(chǎn)品化水平。

關(guān)鍵詞： 無線耳機(jī) nRF24Z1 基本原理 硬件設(shè)計

隨著多媒體計算機(jī)、家庭影院走入千家萬戶，設(shè)備間紛雜的互連線困擾著越來越多的人。有線耳機(jī)以其聽音效果好、不干擾他人的優(yōu)點(diǎn)受到大家的青睞，但其連線成為限制人們活動空間的最主要因素，在某些場合尤顯不便。為此，無線耳機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，為人們擺脫束縛提供了途徑。

近一兩年來，某些半導(dǎo)體公司推出了適用于無線耳機(jī)的新器件。這些器件具有很高的集成度和完善的功能，提供小體積的封裝并使用很少的外圍器件，功耗也維持在較低的水平，為問題的解決帶來了可能。nRF24Z1是Nordic公司推出的業(yè)內(nèi)首個單片式CD音質(zhì)無線數(shù)字音頻解決方案，采用了Nordic最新的4Mbit/s MegaZtream^TM技術(shù)和超低功耗技術(shù)，在一個6x6mm的封裝中提供了包括無線傳輸以及數(shù)字音頻接口在內(nèi)的完整功能。MegaZtream^TM采用4Mbps的 2.4GHz無線收發(fā)內(nèi)核，為高品質(zhì)音頻的傳輸提供了足夠的帶寬，同時還提供了接收端向發(fā)送端回送控制信息的功能。其主要特性如下：

提供的I2S音頻接口可與該接口的低成本AD，DA連接，SPDIF音頻接口可與PC和環(huán)繞設(shè)備連接；輸入最高支持24bit分辨率和96Ksps的采樣率，輸出最高支持16bit分辨率和48Ksps的采樣率。

支持CRC冗余檢測、回送確認(rèn)、檢錯重傳，以及通過改換頻點(diǎn)避讓受干擾頻道的功能，具有一定的抗干擾能力。

支持多種低功耗模式，192Kbit/s數(shù)據(jù)率平均電流5mA，1.5Mbit/s數(shù)據(jù)率平均電流15mA，空閑模式耗電3uA。

內(nèi)置了電源穩(wěn)壓器，電源電壓范圍為2.0V至3.6V，對電源噪聲和波紋的要求較低，外部電源可使用DC-DC穩(wěn)壓器。

采用6x6mm QFN 封裝，外部元件較少，有效減小了產(chǎn)品的體積。

一、基本原理

基于nRF24Z1的典型音頻傳輸系統(tǒng)框圖如下：

在此系統(tǒng)中，源端由控制器、音源、作為音頻發(fā)射器（ATX）的nRF24Z1組成，終端由作為音頻接收器的nRF24Z1、配置用EEPROM、數(shù)模轉(zhuǎn)換器組成。源端，控制器通過SPI接口對nRF24Z1的寄存器進(jìn)行配置、讀取，音源通過I2S或S/PDIF接口將音頻流傳入nRF24Z1。終端，nRF24Z1通過SPI接口從EEPROM中讀取寄存器配置信息，通過I2S接口將音頻流傳入DAC，并為DAC提供主時鐘。

源端和終端的nRF24Z1被正確配置后，可認(rèn)為在源端的音源和終端的DAC之間建立了一條數(shù)字音頻鏈路，從而達(dá)到音頻傳輸?shù)哪康摹?/p>

下面主要介紹nRF24Z1作為音頻發(fā)射器和音頻接收器的原理。

1. nRF24Z1作為音頻發(fā)射器（ATX）

作為音頻發(fā)射器的nRF24Z1集成了電源管理，作為主設(shè)備的SPI、I2C接口，作為從設(shè)備的SPI、I2C接口，直接數(shù)據(jù)傳送接口，中斷輸出管腳，音頻I2S、S/PDIF輸入接口，分時復(fù)用和QoS管理器，射頻接口，晶振、時鐘管理等主要部分。電源管理部分降低了外部電源的波紋和噪聲要求，并為內(nèi)部的低電壓數(shù)字部分提供電源；nRF24Z1可通過主設(shè)備接口從外部存儲器中讀取配置信息；外部控制器可通過從設(shè)備接口管理nRF24Z1，通過直接數(shù)據(jù)傳送接口獲取、控制作為音頻接收器端nRF24Z1的輸入、輸出，通過nRF24Z1的中斷輸出管腳捕獲其中斷；音源可通過I2S或S/PDIF接口向nRF24Z1傳入音頻流；分時復(fù)用和QoS管理器負(fù)責(zé)射頻傳輸?shù)纳蠈訁f(xié)議實(shí)現(xiàn)；射頻接口使用Nordic公司的ShockBurst^TM技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；晶振、時鐘管理為nRF24Z1提供各種時鐘。

2. nRF24Z1作為音頻接收器（ARX）

作為音頻接收器的nRF24Z1集成了電源管理，作為主設(shè)備的SPI、I2C接口，直接數(shù)據(jù)傳送接口，音頻I2S、S/PDIF輸入接口，分時復(fù)用和QoS管理器，射頻接口，晶振、時鐘管理等主要部分。電源管理部分降低了外部電源的波紋和噪聲要求，并為內(nèi)部的低電壓數(shù)字部分提供電源；nRF24Z1可通過主設(shè)備接口從外部存儲器中讀取配置信息；輸入或輸出信號可通過直接數(shù)據(jù)傳送接口虛擬到音頻發(fā)射器的直接數(shù)據(jù)傳輸接口；DAC可通過I2S或S/PDIF接口從nRF24Z1得到音頻流；分時復(fù)用和QoS管理器負(fù)責(zé)射頻傳輸?shù)纳蠈訁f(xié)議實(shí)現(xiàn)；射頻接口使用Nordic公司的ShockBurst^TM技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送；晶振、時鐘管理為nRF24Z1提供各種時鐘以及外部DAC的主時鐘。

二、硬件設(shè)計

為驗(yàn)證nRF24Z1功能，并積累設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，源端選擇I2S、S/PDIF兩種接口的音源，終端則要求盡量減小體積和功耗。為此，源端采用了具有I2S接口的MP3解碼芯片AT89C51SND1C和具有S/PDIF接口的USB立體聲音頻編解碼器PCM2906兩種芯片提供音源。終端則選擇了具有I2S接口的4.4mm SSOP16封裝低功耗音頻DAC芯片UDA1334。

1.原理圖及分析

這里分別介紹I2S源端、S/PDIF源端和終端的電路原理。

（1）首先介紹I2S源端。I2S源端整體框圖如下：

（1） I2S源端nRF24Z1部分

該nRF24Z1的26腳MODE被拉至VDD，即配置為音頻發(fā)射器模式。nRF24Z1的I2S輸入接口與AT89C51SND1C的I2S輸出接口連接，接受來自AT89C51SND1C的音頻流。nRF24Z1的SPI從設(shè)備接口與AT89C51SND1C的SPI接口連接，使得AT89C51SND1C可對nRF24Z1進(jìn)行配置。

U4 25AA640為64Kbytes EEPROM，存儲nRF24Z1配置信息，為可選器件。

nY1，nR1，nC1，nC2與nRF24Z1內(nèi)部的振蕩器構(gòu)成晶振電路。nC3，nC4為nRF24Z1內(nèi)部射頻功率放大器電源的去耦電容。nL1，nL2，nL3及nC5，nC6，nC7構(gòu)成差分轉(zhuǎn)單端的阻抗匹配電路，RF處接50Ohm天線即可。nR2為nRF24Z1提供參考電流。nC8，nC9為nRF24Z1電源去耦電容。nR3為SPI接口MISO下拉電阻。

AT89C51SND1C芯片是Atmel公司的產(chǎn)品，cY1，cR1，cC1，cC2與AT89C51SND1C內(nèi)部的振蕩器構(gòu)成晶振電路。cR2，cC3，cC4構(gòu)成AT89C51SND1C內(nèi)部鎖相環(huán)的濾波電路。cC5—cC8為電源去耦電容。cC9為上電復(fù)位電容，與AT89C51SND1C內(nèi)部下拉電阻構(gòu)成的RC網(wǎng)絡(luò)在上電時提供一個復(fù)位信號。P1為ISP選擇跳線，復(fù)位時該跳線短接，即將nISP拉低，則AT89C51SND1C進(jìn)入在系統(tǒng)編程模式，可使用Atmel公司提供的ISP工具FLIP通過USB接口對其編程。5個LED顯示AT89C51SND1C的工作狀態(tài)以及鋰電池充電狀態(tài)，cR3~cR6，pR4為限流電阻。S1為觸式開關(guān)，S2為左撥、右撥、下按三輸入開關(guān)，向AT89C51SND1C提供輸入信號。J1為USB接口，cR8，cR9為端接電阻，確保USB信號的質(zhì)量；AT89C51SND1C通過ENA_USB管腳控制Q1、cR12構(gòu)成的反向器控制USB D+線上拉電阻cR10，根據(jù)USB標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)D+線上有1.5kOhm電阻上拉至3.3V電平時，認(rèn)為有USB全速設(shè)備介入端口，該部分實(shí)現(xiàn)了AT89C51SND1C控制是否作為USB從設(shè)備接入主機(jī)。

（2） I2S源端外部存儲器部分

K9F2G08為Samsung公司生產(chǎn)的2Gbit容量NAND型Flash存儲器。其數(shù)據(jù)總線和控制信號與AT89C51SND1C相連，由AT89C51SND1C提供時序信號以及相關(guān)指令。

（3） I2S源端DAC部分

UDA1334是Philips公司生產(chǎn)的具有I2S音頻接口的低功耗音頻數(shù)模轉(zhuǎn)換器，具有高線性、寬動態(tài)范圍、低失真的特點(diǎn)，支持8到100kHz的采樣頻率，并具有靜音、去加重處理等功能。

uR1—uR4，uC1—uC4構(gòu)成左右聲道的帶通濾波電路，以消除低頻、高頻干擾。uR5為系統(tǒng)時鐘端接電阻，確保時鐘信號質(zhì)量。uR6，uR7，uC5~uC10構(gòu)成數(shù)字、模擬電源和參考電壓的濾波電路。J2為耳機(jī)插孔。

（4） I2S源端電源管理部分

MAX1921是Maxim公司生產(chǎn)的降壓型電壓轉(zhuǎn)換器，可提供高達(dá)400mA的電流， LTC4055是Linear公司為電池供電的便攜式設(shè)備設(shè)計的USB電源管理器及鋰電池充電器。

pC1為MAX1921的輸入去耦電容。pR1為MAX1921輸出電壓反饋電阻。pL1，pL2，pC2，pC3為MAX1921的輸出濾波電路。pR2，pR3為LTC4055的USB限流、充電限流電阻。pC4為LTC4055控制充電時間的電容。pC5為LTC4055的輸入去耦電容。Bat為鋰電池接口。

2.S/PDIF源端

S/PDIF源端整體框圖如下：

此外，為方便調(diào)試，實(shí)際原理圖中還將nRF24Z1和PCM2906的各個主要管腳引出，還包括EEPROM從SOIC封裝轉(zhuǎn)換為DIP封裝的部分。

(1) S/PDIF源端nRF24Z1部分

nRF24Z1對于S/PDIF接口和I2S接口差別僅在于寄存器配置，電路原理圖一致，故這里不再給出該部分的原理圖及說明，可參考I2S源端nRF24Z1部分的說明。所不同的僅在于S/PDIF源端必須使用EEPROM進(jìn)行配置，所以EEPROM為必選。

(2) S/PDIF源端電源管理部分

使用LM1117-33將USB的5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V為nRF24Z1和25AA640提供電源，C23，C24為電源去耦電容。P3跳線為測量nRF24Z1消耗電流而設(shè)置。

3.終端部分原理圖

終端部分整體框圖如下：

由于終端比較簡單，這里給出完整原理圖：

nRF24Z1的26管腳MODE被拉至地，即配置為音頻接收器模式。nRF24Z1的I2S輸出接口與UDA1334的I2S輸入接口連接，將音頻流傳入UDA1334。nRF24Z1的SPI主設(shè)備接口與64Kbytes EEPROM 25AA640連接，在啟動時獲取配置信息。

基于nRF24Z1的方案在音質(zhì)上與市場上的高端產(chǎn)品相近，且主要受限于耳機(jī)揚(yáng)聲器部分而非無線傳輸和音頻輸出部分。在nRF24Z1終端使用簡單的單片機(jī)及對其控制可以降低成本，并能提供更有好的用戶操作界面。

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