无线语音传输系统的设计与实现

毕业设计(论文)说明书题 目： 无线语音传输系统的 设计与实现 系 别： 电子工程系 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 学 号： 指导教师： 职 称： 题目类型： 理论研究 实验研究 工程设计 工程技术研究 软件开发2008 年 6 月 20 日摘 要随着嵌入式系统和无线网络发展，两者已能紧密结合在一起。而且随着无线应用领域扩大，工作在 ISM（工业、科学和医学）标准 2.4GHz 自由免费频段，已成为研究焦点。例如 Wi-Fi、BlueTooth、Zigbee 等无线传输协议都是应用在 2.4GHz 频段上，并以其数据率高、节点分布广等特点广泛应用于科研、家庭、军事等各个领域。本设计利用了 SPCE061A 的语音处理功能，把 SPCE061A 作为主控制器，借助于NordicnRF2401 无线收发芯片，实现简单的双向无线语音传输功能。具体实现方法是： 通过其中一套 61 板和无线模块（A 套）实现录音功能并将压缩后的语音资源通过无线模块发射；然后另外一套 61 板和无线模块（B 套）接收 A 套发送的语音资源数据，并对数据进行解码播放。两块板子均能实现语音的发送和接收。本文以无线语音传输系统的设计为主线，包括无线收发芯片的介绍、无线收发模块的设计以及语音数据的处理等，分为 6 个部分。其中，第 1 部分为背景情况和芯片介绍，第 2 部分主要介绍对总的设计方案的选定，第 3 部分主要介绍无线语音传输系统的总体设计，第 4 部分对无线语音传输系统的硬件设计进行了详细的介绍，第 5 部分描述了无线语音传输系统的软件设计，第 6 部分叙述系统软硬件的调试，对在调试过程中遇到的问题及其解决方法也作了讨论。关键词：无线传输；nRF2401；SPCE061A桂林电子科技大学信息科技学院毕业（论文）说明书 IIAbstractWith embedded systems and wireless network developing, the two have been working closely together. Moreover, as the expansion of wireless applications, worked in the ISM (industrial, scientific and medical) standard 2.4 GHz band free, has become a focus of study. Such as Wi-Fi, BlueTooth, Zigbee and other wireless transmission protocols are used in 2.4 GHz band, and because its high data rate, nodes and other characteristics of widely distributed are used in scientific research, family, military and other fields.The design use the SPCE061A of voice processing functions, SPCE061A as the main controller, the help of Nordic nRF2401 radio transceiver chip, to achieve a simple two-way wireless voice transmission functions. Specific method is: the adoption of a set of 61 panels and wireless module (A set) to achieve recording of the voice compression and resources through the wireless module launch and then another set of 61 panels and wireless module (B sets) A package sent to receive The voice data resources, data and decode broadcast. 2 voice of the board can send and receive. In this paper, wireless voice transmission system to the design of the main line, including wireless transceiver chips, wireless transceiver module design and voice data processing, divided into six parts. The first part of the background and chips, Part 2 introduces the general design plan selected, Part 3 introduces wireless voice transmission system design, Part 4 of the wireless voice transmission system hardware design Carried out a detailed, Section 5, describes the wireless voice transmission system software design, described in section 6 of the system hardware and software debugging, in the process of debugging the problems encountered and their solutions are discussed.Key words：Wireless transmission ；nRF2401；SPCE061A桂林电子科技大学信息科技学院毕业（论文）说明书 III目 录引 言 .11 课题背景和芯片介绍 .21.1 课题背景 .21.2 芯片资料 .21.2.1 SPCE061A 简介 .21.2.2 SPCE061A 性能简介 .31.2.3 SPCE061A 应用领域 .32.1 NRF2401A 无线收发芯片 .42.1.1 芯片特性.42.1.2 NRF2401 主要性能指标 .52.1.3 NRF2401 工作模式控制 .52.1.4 激活状态 的模式 .52.1.5 双超外差接收模式 .72.1.6 结构配置模式 .82.1.7 待机模式 .82.1.8 低功耗模式 .82.1.9 配置字描述 .82.1.10 天线输出 .92.1.11 应用领域 .92 设计任务与总体设计分析 .92.1 设计要求.102.1.1 技术指标：.102.2 方案论证 .102.2.1 无线收发模块 .102.2.2 主控制模块 .102.3 总体设计 .113 系统总体方案介绍 .113.1 硬件部分 .113.2 软件部分 .114 系统硬件设计.124.1 硬件框图 .124.2 无线收发模块电路 .124.2.1 NRF2401 及其外围电路 .12桂林电子科技大学信息科技学院毕业（论文）说明书 IV4.2.2 指示电路 .134.2.3 接口电路 .134.3 61 板结构 .144.3.1 SPCE061A 最小系统 .144.3.2 电源电路 .154.3.3 音频电路 .154.3.4 ICE 接口电路 .164.4 电源电路 .164.4.1 整流电路 .164.4.2 滤波电路 .174.2.3 稳压电路 .175 系统软件设计.175.1 软件总体设计 .175.2 子程序设计 .195.2.1 初始化程序 .195.2.2 录音子程序 .235.2.3 放音子 程序 .235 开发流程及开发环境 .245.1 开发流程 .245.2 开发环境 .246 调试 .246.1 调试方法 .246.2 硬件调试 .246.2.1 PCB 设计应注意的问题 .246.2.1 NRF2401 模块的制作 .256.2.2 61 板的检测 .266.3 软件调试 .277 结 论 .27谢 辞 .28主要参考 文献 .29附 录 .30附录一：系统原理图 .30附录二：系统 PCB 图 .31附录三：系统源程序 .32桂林电子科技大学信息科技学院毕业（论文）说明书 1引 言随着社会的发展和进步，人类活动越来越依赖于通信技术提供的服务，以无线通信技术以其快捷方便，可以移动等特性，受到人们的高度关注，得以快速发展。本文针对无线通信进行研究，设计了一个以无线收发芯片为核心、利用凌阳板进行语音压缩以实现简单的语音传输，本设计能在20米以内进行语音的传送。nRF2401A 是Nordic 公司生产的无线收发芯片。该芯片需要极少的外围器件，即可实现高速的无线数据传输。SPCE061A 是凌阳科技的一款16位微控制器，内嵌32K 的闪存（FLASH）。SPCE061A 为语音产品而集成了ADC、DAC、AGC 等，还具有n 项内积运算指令，较高的处理速度使unSP 能够非常容易快速地处理复杂的数字信号，是语音应用领域的一种最经济选择。SPCE061A 精简开发板（以下简称61 板）配有在线调试功能；结合集成开发环境不需外界任何仿真、调试器即可以完成在线编程、仿真、调试功能。本方案直接使用了61 板，利用SPCE061A 的语音处理功能，借助于nRF2401A 无线收发芯片，实现简易的双向无线语音传输功能。桂林电子科技大学信息科技学院毕业（论文）说明书 21 课题背景和芯片介绍1.1 课题背景近年来，随着无线通信和计算机通信在全球的迅猛发展，采用无线手段提供数据传输的业务越来越多，无线通信技术在特殊的工作环境中有许多优点：对于分散、移动的控制对象可以方便的实现相互间的数据通信；对于物理布线困难的地方，采用无线通信技术可以节省大量财力；对于需要组网的以太网、令牌网等有线通信系统，选择无线通信技术可以避免大量的布线工作，同时也避免了有线网由于线路故障而导致系统瘫痪的弊病。以上这些优点使得无线通信除了弥补有线手段的不足外，还为数据通信用户提供了更加方便更高层次的服务，即移动中不间断的数据通信。虽然目前无线通信在整个数据通信中所占的比例还比较小，但它的发展势头很强。是人们普遍看好的下一个通信技术热点。1.2 芯片资料1.2.1 SPCE061A 简介SPCE061A 是凌阳科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机，使用它可以非常方便实现复杂的数据处理，包括基本的加减运算和复杂的乘积运算处理，该芯片拥有 8 路 10 位精度的 ADC，其中一路为音频转换通道，另外 7 路可作为普通的 AD 转换通道。另外凌阳十六位单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准 C 语言，可以实现 C 语言与凌阳汇编语言的互相调用，并且，提供了语音录放的库函数，只要了解库函数的使用，就会很容易完成语音录放，这些都为软件开发提供了方便的条件。SPCE061A 单片机内部结构框图如下图 1.1 所示：桂林电子科技大学信息科技学院毕业（论文）说明书 3图 1.1 SPCE061A 单片机的内部结构框图SPCE061A 片内还集成了一个 ICE（在线仿真电路）接口，使得对该芯片的编程、仿真都变得非常方便，而 ICE 接口不占用芯片上的硬件资源，结合凌阳科技提供的集成开发环境（nSP IDE）用户可以利用它对芯片进行真实的仿真；而程序的下载（烧写）也是通过该接口进行下载。1.2.2 SPCE061A 性能简介 16 位 nSP 微处理器 工作电压（CPU）VDD 为 3.03.6V，（I/O）VDDH 为 3.05.5V CPU 时钟：0.3249.152MHz 内置 2K 字 SRAM 内置 32K 字 FLASH 可编程音频处理 晶体振荡器 系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为 2uA/3.6V 2 个 16 位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值） 2 个 10 位 DAC（数/模转换）输出通道 32 位通用可编程输入/输出通道 14 个中断源可来自定时器 A/B、时基、2 个外部时钟源输入和键唤醒 具备触键唤醒的功能 使用凌阳音频编码 SACM_S480 可以播放压缩的语音资源 锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号 32768Hz 实时时钟 7 通道 10 位电压模/数转换器（ADC）和单通道声音模/数转换器 声音模/数转换器输入通道内置麦克风放大器，并具有自动增益控制（AGC）功能 具备串行设备接口 具备低电压复位功能和低电压检测功能 内置在线仿真电路接口 具有 WatchDog 功能1.2.3 SPCE061A 应用领域SPCE061A 单片机应用广泛，主要应用于： 家用控制器，即冰箱、空调及洗衣机等 仪器仪表，即数字仪表（有语音提示功能） 电表、水表、天然气表和暖气表 工业控制桂林电子科技大学信息科技学院毕业（论文）说明书 4 智能型家居控制器 通信产品，即多功能录音电话、自动总机、语音信息和数字录音系统产品 医疗设备和保健器材（电子血压计、红外线体温监测仪等） 体育健身产品（跑步机等） 电子书籍（儿童电子故事书类）、电子教学设备等语音识别类产品 声控遥控器和智能语音互动玩具等2.1 nRF2401A 无线收发芯片nRF2401 是单片射频收发芯片，工作于 2.42.5GHz ISM 频段，芯片内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器和调制器等功能模块，输出功率和通信频道可通过程序进行配置。芯片能耗非常低，以-5dBm 的功率发射时，工作电流只有 10.5mA，接收时工作电流只有 18mA，多种低功率工作模式，节能设计更方便。其 DuoCeiverTM 技术使nRF2401 可以使用同一天线，同时接收两个不同频道的数据。nRF2401 适用于多种无线通信的场合，如无线数据传输系统、无线鼠标、遥控开锁、遥控玩具等。nRF2401 需要很少的外围元件，因此使用起来非常方便。QFN24 引脚封装，外形尺寸只有 55mm。芯片管脚图如下图 2.1 所示：图 2.1 nRF2401 管脚图2.1.1 芯片特性 单芯片无线收发 GFSK 调制模式 收发载波频率：2.4GHz2.5GHz 数据传输率：01Mbps 极少外围器件 125 阶可调收发频率（梯度 1MHz） 地址比较和 CRC 校验 DuoCeiver技术，支持双通道接收 ShockBurst技术，低功耗，缓解 CPU 发送压力桂林电子科技大学信息科技学院毕业（论文）说明书 5 宽电压范围：1.9V3.6V 超低功耗：发送 10.5mA，-5dBm；接收 18mA2.1.2 nRF2401 主要性能指 标nRF2401 的