2023年基于nRF24E1无线耳机的设计 [文档在线提供].doc

KC021-1 第1章 绪论 1 1.1课题的研究目的和意义 1 1.2短距离无线通信技术的现状与开展趋势 2 1.3关于2.4GHz频段的历史背景、应用前景及开展现状 4 1.4本课题要注意的主要问题 4 第2章 系统方案的总体设计 7 2.1系统方案设想与确定 7 2.2器件的选择 11 第3章 系统各局部硬件的设计 13 3.1系统的总体设计 13 3.2无线耳机nRF24E1核心电路 13 3.2.1 nRF24E1简介 14 3.2.2 芯片引脚功能以及结构 14 3.2.3 nRF24E1收发器子系统〔nRF2401〕 18 3.2.4 模数/数模转换器及电压基准源 29 3.2.5 电源管理模块 29 3.2.6 GPIO通用输入/输出 29 3.2.7 外部存储器 30 3.3 麦克风输入电路和扬声器输出电路 31 3.4 天线的设计及其与nRF24E1的接口电路 33 3.5 PCB板的设计 36 第4章 系统的软件设计 39 4.1 主程序设计 41 4.2 接收子程序模块 41 4.3 发送子程序模块 43 4.4 中断子程序模块 44 第5章 应用系统的调试 45 5.1 硬件的调试 45 5.2 软件的调试 45 5.3 系统联调 45 5.4 现场调试 46 结论 47 致谢 49 参考文献 51 附录 53 前言 短距离的无线通信技术在无线通信系统的实现中扮演着重要的角色。短距离无线通信的方式有两种：红外IrDA(InfraRed Data Association)和无线射频技术(Radio Frequency)。由于红外方向性强、距离短，而且不能有遮挡物，所以很难推广应用。射频技术因为功耗低和无方向性等优点而受到青睐。目前世界上流行的蓝牙技术〔Bluetooth〕是一种开放性短距离无线通信技术标准，它就是一种无线射频技术。但是，与普通的射频技术相比，蓝牙技术很难满足快速开发和低本钱的要求。首先，蓝牙技术复杂度高。因为蓝牙的传输量较大，往往几百Kbps,而普通射频技术的传输量在100Kbps以内。因此蓝牙硬件设计、软件及其协议编程不但复杂而且昂贵。而且，蓝牙本钱高，只有大批量时才有可能降为5美元/片；而无线射频芯片一般在3美元以下。因此普通无线射频可实用、经济地实现无线通信。蓝牙很少有实用的例子，一般只多见于 和PC之间的通信，而某些无线射频芯片已经广泛投入了实用，如汽车的安全系统、无线身份识别卡、无线抄表、饭店中的无线传感器、无线鼠标、机器宠物、遥控器、键盘等。它们具有低本钱、低功耗、能够快速开发应用的特点，来实现设备的无线连接。 本课题研究开发的无线耳机，可以应用在许多方面，比方 上用无线耳机接听 ，省却了耳机电线，同时免除了存在争议的 辐射问题。还可以用于智能系统中的无线通信，比方近几年盛行的足球机器人比赛，机器人之间为了配合而互相通信以及主机为了作全局指挥与机器人之间的通信就需要无线耳机。所以我们相信无线耳机是有很宽广的市场前景的。 本论文首先介绍了无线通信技术的现状与开展趋势，并对2.4GHz频段的历史背景进行了探讨。接下来分别对该系统的硬件设计和软件设计进行了详细介绍，最后给出了代码。焊接了PCB板，并测试了系统性能。 第1章 绪论 1.1课题的研究目的和意义 崇尚自由的人类都会有向往自由、并且追求自由的潜在天性，美国的山姆大叔把“自由女神〞当作它们国家的象征，无数英雄儿女前赴后继就是为了“自由〞这两个字。人类为了自由不断追求着摆脱空间或者时间的束缚和局限。对于处于社会中人类个体或者群体来说，交流就是作为主体的行为，但是在遥远的过去，由于时间空间的限制，很难进行远距离的信息交换。给当时人类的社会行为造成很大的不便。追求自由的人们为此进行了不懈的努力。自由的理念体现了在人类的设计天赋中，从最初单调的信件联络到后来的电报，到后来的有线语音 ，无一不渗透着人们渴望摆脱客观限制所作的努力，这个历程显然没有结束，通信电缆渐渐地成为了人们心中的绊脚石，有没有能够取代那些冗长的电缆的技术呢？经过几十年的探索和努力，电报从有线到无线， 从有线到无线，网络从有线到无线。如今，一张人们描画已久的蓝图已经在面前展示：遥远阿尔卑斯的窗景,仿佛就在眼前,你的声音随电波信号穿越大洋,无论何地都能触及到天涯一角的知己,这就是无线通信给我们带来的惊喜。 短距离的无线通信技术在无线通信系统的实现中扮演着重要的角色。短距离无线通信的方式有两种：红外IrDA(InfraRed Data Association)和无线射频技术(Radio Frequency)。由于红外方向性强、距离短，而且不能有遮挡物，所以很难推广应用。射频技术因为功耗低和无方向性等优点而受到青睐。目前世界上流行的蓝牙技术〔Bluetooth〕是一种开放性短距离无线通信技术标准，它就是一种无线射频技术。但是，与普通的射频技术相比，蓝牙技术很难满足快速开发和低本钱的要求。首先，蓝牙技术复杂度高。因为蓝牙的传输量较大，往往几百Kbps,而普通射频技术的传输量在100Kbps以内。因此蓝牙硬件设计、软件及其协议编程不但复杂而且昂贵。而且，蓝牙本钱高蓝牙本钱高，蓝牙只有大批量时才有可能降为5美元/片；而无线射频芯片一般在3美元以下。因此普通无线射频可实用、经济地实现无线通信。蓝牙很少有实用的例子，一般只多见于 和PC之间的通信，而某些无线射频芯片已经广泛投入了实用，如汽车的安全系统、无线身份识别卡、无线抄表、饭店中的无线传感器、无线鼠标、机器宠物、遥控器、键盘等。它们具有低本钱、低功耗、能够快速开发应用的特点，来实现设备的无线连接。 本课题研究开发的无线耳机，可以应用在许多方面，比方 上用无线耳机接听 ，省却了耳机电线，同时免除了存在争议的 辐射问题。还可以用于智能系统中的无线通信，比方近几年盛行的足球机器人比赛，为了使机器人之间进行通信以形成配合，使主机与机器人之间进行通信以便于实时指挥，无线耳机无疑提供了良好的通信途径。所以我们相信无线耳机是有很宽广的市场前景的。 1.2短距离无线通信技术的现状与开展趋势 随着移动通信需求和远程数据采集量的增加，加之有线传输的费用日益增长，人们正逐渐认识到在许多检测领域采用无线传输的必要性。在过去的几年中，无线通讯领域取得了很大的进展，这其中包括数字电路和射频电路制作工艺的进步、低功耗电路、高能电池以及微电子技术的采用。以上诸多方面的开展使移动通信设备更加灵巧、经济、可靠。与上述技术一样，数字通信技术和数字调制技术的开展也发挥了很大的作用，他们使无线通信网络向更加经济、更加容易操作的方向开展。所以如果我们能够很好地了解无线通信的根本原那么以及这些技术的特点，就能更好地理解并完成传感数据的无线采集。无线数据通信技术可分为两大类：一是基于蜂窝的接入技术，如蜂窝数字分组数据(CDPD)，通用分组无线传输技术(GPRS) 、EDGE 等。二是基于局域网的技术，如 IEEE802.11 WLAN、Bluetooth、IrDA、Home-RF、微功率短距离无线通信技术等。与目前已经具备相当规模的无线长距离通信网络(如蜂窝移动通信网)相比，短距离无线通信系统在根本结构、效劳范围、应用层次及通信业务(数据、话音)上，均有很大的不同。 1．红外通信技术〔IrDA〕【1,2】 红外通信技术 IrDA(InfraRed Data Association)采用人眼看不到的红外线传输信息，是使用最广泛的短距离无线通信技术。它利用红外线的通断表示计算机中的0-1逻辑，通常有效作用半径2米，传统速度可达4 Mbit/s，1995 年 IrDA 将通信速率扩展到的高达 16Mbit/s，红外技术采用点到点的连接方式，发射、接收具有方向性，具有体积小、功耗低、连接方便、简单易用、数据传输干扰少、速度快、保密性强、本钱低廉的特点。因此广泛应用于各种遥控器，笔记本，PDA(个人数字助手)，移动 等移动设备。但红外技术只是一种视距传输技术，有效距离近，发射角度较小，一般不超过20 度，两台相互通信的设备之间必须对准，而且传输数据时两台设备之间不能有阻挡物，只能限于两台设备通信，无法灵活构成网络，且无法用于边移动边使用的设备，另外，IrDA 设备中的核心部件 LED 易磨损。 2．蓝牙技术〔Bluetooth〕【3】 蓝牙技术使用全球统一开放的 2.4GHz 的 ISM 频段，采用跳频扩频FHSS 技术实现设备之间的无线互连，有穿透能力，能够全方位传送，主要面对网络中各种数据和语音设备，通过无线方式将它们连成一个微微网(Piconet)。多个微微网之间也可以形成分布式网络(Scatternet)，从而方便，快速的实现各类设备之间的通信。蓝牙技术作为一种新兴的技术，主要具有以下特点:标准的开放性、产品的互操作性及兼容性、公用通信频段以及提供大容量的语音和数据网络。蓝牙技术目前只是一种行业联盟制定的短距离无线通信标准。 3．IEEE802.11b〔Wi-Fi〕【1】 IEEE802.11b技术标准是无线局域网的国际标准，使用 2.4GHz 的 ISM频段，采用直接序列扩频 DSSS 技术进行调制解调增强了抗干扰能力，提高了传输速度。802.11b 无线网络的最大优点是兼容性，只要在原有网络上装上 AP(Access Point)，就可以提供无线网络效劳，终端设备只要装上无线网卡，就可以访问所有网络资源，象使用有线局域网一样方便，却免除了布线的麻烦。802.11b 具有有线等价保密机制 WEP(Wired EquivalentPrivacy)确保数据安全。以其具有穿透能力，全方位传送，建网速度快，可用来组建大型无线网络，运营本钱低，投资回报快等特点，正逐渐受到电信制造商和运营商的青睐，目前此种设备还比拟昂贵，阻碍了其推广和应用。更多新的 Wi-Fi 标准正在制定之中。速度更快的 802.11g 使用与802.11b 相同的正交频分多路复用〔OFDM〕调制技术，同样工作在 2.4GHz频段，速率达 54 Mbit/s，比目前通用的 802.11b 快了 5 倍，并且完全向后兼容 802.11b，802.11g 将有可能被大多数无线网络产品制造商选择作为产品标准，而下一代的 Wi-Fi 标准 802.11n 可望到达 100 Mbit/s。 4．微功率短距离无线通信技术【1】 近年来，随着大规模集成电路技术的开展，短距离无线通信系统的大局部功能都可以集成到一块芯片内部，一般使用单片数字信号射频收发芯片，加上微控制器和少量外围器件构成专用或通用无线通信模块，所有高频元件包括电感、振荡器等已经全部集成在芯片内部，一致性良好，性能稳定且不受外界影响。射频芯片一般采用 FSK 调制方式，工作于 ISM 频段，通信模块一般包含简单透明的数据传输协议或使用简单的加密协议，发射功率、工作频率等所有工作参数全部通过软件设置完成，用户不用对无线通信原理和工作机制有较深的了解，只要依据命令字进行操作即可实现根本的数据无线传输功能。新一代短距离无线数据通信系统具有体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强等优点，而且开发简单快速，可以方便地嵌入到各种设备中，实现设备间的无线连接，因此，较适合搭建小型网络，在工业、民用领域得到较为广泛的应用。 当今，全球无线通信产业主要体现出两个特点：一是公众移动通信保持增长态势强劲，但也存在开展不均衡的现象。具统计，2023年全球移动用户数增长率在17％以上，在市场值方面，比上年增长了11.3％以上。尽管全球移动市场在增长，但这种增长也呈现出很大的不均衡性。从用户数来看，在北美、欧洲等兴旺国家和地区，由于移动用户