2.4GHz无线数字音频芯片nRF24Z1及其应用

1、2.4ghz无线数字音频芯片nrf24z1及其应用nrf24z1是挪威nordic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，工作为2.03.6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）的无缝衔接，s/pdif 接口提供了与pc和环抱设备的挺直接口。通过spi或i2c接口来对芯片举行控制。同时还提供了控制信息如音

2、量，平衡，显示等双向传输的功能，是一个用法、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、协议和射频衔接等工作由片内的硬件完成。图1所示为用法nrf24z1的无线音频系统的结构框图，在该系统中，只需用法容易的或低速的微控制器或(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容易的任务，如音量调整等。图1 用法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，音频数据终于提

3、供应接收端的立体声(数模转换器)。nrf24z1的初始配置由微控制器通过spi或i2s接口举行控制。在接收端，外围如dac的控制可以由发送端的nrf24z1通过控制信道举行控制。假如设计中没有用法微控制器，则配置数据可以通过片外的eeprom/flash存储器举行加载。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，在声源端用法nrf24z1举行音频数据的发送，在声宿端用法nrf24z1举行音频数据的接收。鉴于上述的收发差异性，nrf24z1可能通过mode引脚设置其工作于放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

4、脚功能都有很大差异。3. 芯片结构3.1 音频放射器当nrf24z1作为音频放射器时，mode引脚必需置为高电平。nrf24z1作为音频放射器时，其片内功能结构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，推举用法i2s接口，反之，推举用法s/pdif接口。图2 nrf24z1作为音频放射器时的功能结构图3.1.1 音频输入接口音频放射器的i2s接口支持8、11.025、12、16、22.05、24、32、48和96khz多种接口速率，音频数据可以采纳

5、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，音频数据可以采纳16位、20位或24位三种数字格式。3.1.2 控制接口当用法外部微控制器来控制nrf24z1时，音频放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，不能同时用法。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

6、线接口。当不用法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。3.1. 3 挺直数据输入引脚nrf24z1音频放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引脚一起用于挺直数据输入，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加也能实现一些容易功能(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、

7、射频衔接断开等信息时，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引脚必需为低电平。nrf24z1作为音频接收器时，其片内功能结构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衔接建立后，用户可以通过音频放射器控制音频接收器的spi接口或标准2线接口。这个特性使音频放射器能够对音频接收器的dac和实现遥控。3.2.1 音频输出接口音频接收器的i2s接口支持8、11.025、12、16、22.0

8、5、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，音频数据可以采纳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。假如没有外挂存储器，芯片将用法其自身的默认值。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放射器建立了射频衔接之后，用户可以通过音频放射器来控制音频接收器

9、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，用户可以通过音频放射器配置其工作于100khz、400khz或1mhz。与音频放射器一样，nrf24z1音频接收器工作于spi接口还是标准2线接口，是由ssel引脚的电平打算的。4. 射频通信4.1 射频协议nrf24z1的射频协议彻低由其片内硬件处理，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addr0addr5，5个字节依次存放，低字节在前，高字节在后。4.2 射频衔接初始化在射频衔接建立之前，音频放射器在全部可用的频道上，反复地向音频接收器发送搜寻信息

10、包，在每个频道上搜寻一段时光，以使音频接收器能够接收和处理搜寻信息。与此同时，音频接收器也在全部可用的频道上监听信息，每个频道监听一段时光，一旦监听到来自音频放射器的搜寻信息包，音频接收器发送应答信息，音频接收器和音频放射器都锁定该频道，以预备通信。nrf24z1的这种衔接方式有助于防止干扰，削减与在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牢靠性，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，各个频率分离由跳频寄存器ch0ch37控制。在跳频时，nrf24z1按照跳频寄存器中的内容，按挨次转变工作频率，也就是

11、说，当ch0的频率受到干扰而无法举行射频衔接时，nrf24z1会用法ch1举行衔接，假如ch1受到干扰，则用法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或微控制器举行初始化。假如想ch0对应于频率2420mhz，则只需在ch0寄存器中写入20，假如想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，芯片就能够按挨次跳频到相应的频道。5. 应用详述nrf24z1放射器的外围元器件及其与微控制器的接口原理4所示，nrf24z1用法spi接口与外部微控制器举行数据传输，用法i2s接口与音频采样设备衔接。ant1和ant2两个引脚为n

12、rf24z1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幻而转变，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100+j175，在普通应用中，可用法50容易负载匹配网络。图4 nrf24z1放射器的硬件原理图4中，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，这两个电阻在用法中可以省去，但这样做会降低系统的稳定性。电阻r2为nrf24z1提供参考，该电阻为22k时，芯片的通信性能最优，转变该电阻的阻值会影响芯片的通

13、信性能。dvdd引脚为nrf24z1片内数字供电电压的可调节输出引脚，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的到数字地，而不能用于为其它片外器件的提供电源，也不能挺直和vdd引脚连在一起。(印制电路板)的设计对囫囵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放射功率达到目标值，挺直影响射频通信的距离。按照nordic公司的推举，nrf24z1的电路板起码用两层板，直流供电尽量逼近vdd引脚，尽量避开电源线过长，以削减因电路板工作过程中，因线路耦合带入过大的干扰。直流供电电源模块应当并接一个4.7uf的电容到数字地，以达到稳压和滤波的目的。此外，应当把nrf24z1的电源跟电路板上其它器件的电源隔离开，以削减因其它器件工作过程中电流变幻所产生的干扰。nrf24z1芯片的全部vss引脚应当挺直衔接到数字地敷铜层，并在这些引脚附近打些过孔，以使顶层和底层间的敷铜层衔接良好。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