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      基于FPGA的語音無線傳輸系統(tǒng)

      2016-12-28 18:09張文軒程銳謝磊楊哲劉川
      中國科技縱橫 2016年20期
      關鍵詞:無線通信

      張文軒++程銳++謝磊++楊哲++劉川

      【摘 要】本文介紹了一種基于FPGA與nRF24L01的語音信號的無線傳輸方法。使用FPGA作為主控制器,通過對nRF24L01進行編程控制,實現(xiàn)了語音信號的無線發(fā)送與接收。同時nRF24L01可以給被不同種類的控制器所驅動,完成了FPGA與其他控制器通過無線的方式交換數(shù)據的功能。

      【關鍵詞】FPGA nRF24L01 無線通信

      1 引言

      隨著通信技術的飛速發(fā)展,有線通信受空間區(qū)域與布線的影響,無線通信方式無疑擁有更大的優(yōu)勢。本設計主要針對語音信號的無線傳輸。

      系統(tǒng)主要有發(fā)射和接收兩大部分。發(fā)射部分使用麥克風采集將語音信號轉變成電壓信號,經過放大,帶通濾波后由ADC采集送入FPGA,F(xiàn)PGA對采集到的語音信號處理之后經nRF24L01發(fā)射出去;接收端將nRF24L01接收到的信號送入FPGA,然后使用FPGA驅動DAC將數(shù)字信號轉變成語音信號,放大濾波后,使用音頻功率放大電路將聲音播放。主要使用的設備有FPGA和nRF24L01。nRF24L01是有NORDIC生產的工作在2.4G頻段的單片無線收發(fā)器芯片。它具有工作電壓低、高速率、多頻點、低功耗等特點,被廣泛應用于無線通信。由于FPGA具有時序控制能力強、沒有指令周期、易于實現(xiàn)各種通信協(xié)議和控制靈活等優(yōu)點,通常被用來設計通信設備的高速協(xié)議接口。設計發(fā)送端用FPGA作為控制器,對數(shù)字信號進行處理之后,對nRF24L01編程控制,實現(xiàn)數(shù)據的無線發(fā)送;接收端使用配對的nRF24L01模塊接收數(shù)據,并將數(shù)據交給FPGA做進一步處理。

      2 原理說明

      2.1 nRF24L01介紹

      nRF24L01是一款工作在2.4G-2.5G全球開放ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片。無線收發(fā)器包括:頻率發(fā)生器、增強型ShockBurstTM模式控制器、功率放大器、警惕振蕩器、調制器和解調器(圖1)。它擁有最大0dBm的發(fā)射功率,無線速率可設置為1MHz或2MHz,125個可用頻點,可以免許可證使用支持六路通道的數(shù)據接收,芯片內部集成了所有與RF協(xié)議相關的高速信號處理部分,具有自動重發(fā)丟失數(shù)據包和自動產生應答信號等功能。芯片內部有FIFO可以與各種高低速微處理器配合使用。nRF24L01的通信接口使用SPI協(xié)議,接口速率為0-8MHz可以通過SPI接口與控制器進行數(shù)據交換(圖2)。輸出功率、頻道選擇、和協(xié)議的設置可以通過SPI接口進行設置。與控制器相連只需要6個IO口:標準的4線SPI協(xié)議接口(CSN、SCK、MOSI、MISO)、模式選擇控制CE和中斷輸出IRQ。nRF24L01數(shù)據手冊的外圍模塊電路原理圖如圖2。

      nRF24L01有四種工作模式:收發(fā)模式、待機模式和關機模式。收發(fā)模式有ShockBrustTM模式和EnHancedShockBurstTM模式。ShockBrustTM模式下,使用了內部的FIFO,nRF24L01可以與低速控制器相連,輕松實現(xiàn)與單片機低速通信而無線部分高速通信。EnHancedShockBurstTM模式下,nRF24L01可以自動處理接收包的應答和丟失包的重發(fā),而無需控制器的介入。本設計使用了EnHancedShockBurstTM模式。待機模式是為了減小平均電流而設計,部分片內晶振仍在工作,在保證快速啟動的同時減少了平均電流。關機模式不同于掉電模式,此模式下電流消耗最小,寄存器的配置字會被保持在nRF24L01的片內。

      2.2 nRF24L01配置

      nRF24L01的接口使用了SPI協(xié)議,控制器可以使用專用的SPI接口對其進行控制或者使用普通的IO口模擬SPI接口對nRF24L01進行配置和數(shù)據傳輸。在對nRF24L01的寄存器進行操作前,需要先進入待機模式或者掉電模式。配置發(fā)送端與接收端時要求地址匹配,通道相同,工作頻率相同。工作流程圖如圖3、圖4、圖5、圖6。

      2.2.1 FPGA驅動nRF24L01

      FPGA器件在設計邏輯電路與時序控制電路有其自身的優(yōu)勢,本設計里使用FPGA強大的時序控制能力,實現(xiàn)SPI協(xié)議,使用四個普通的IO口來與nRF24L01相連接。

      2.2.2 1FPGA實現(xiàn)SPI協(xié)議

      SPI工作原理時序圖如圖7、圖8。

      從SPI時序圖上可以看出,每次SPI讀寫操作時需要將CSN拉低,時鐘信號SCK每變化一次發(fā)送一位數(shù)據或者接收一位數(shù)據,讀寫時序都需要先寫入目標寄存器地址,然后寫入數(shù)據或者讀取數(shù)據,最后拉高CSN。

      2.2.3 FPGA配置nRF24L01

      在使用FPGA來實現(xiàn)時序邏輯電路時,最常見的方法就是使用狀態(tài)機。按照nRF24L01的配置流程圖,狀態(tài)機主要分為以下三大類:初始化nRF24L01、配置nRF24L01各種寄存器的參數(shù)、循環(huán)發(fā)送/接收數(shù)據。配置寄存器時,查找nF24L01d數(shù)據手冊后按照所需配置對參數(shù)進行修改,每次修改寄存器值都要嚴格按照SPI的時序來操作寄存器,在操作寄存器CE、CSN、SCK、MOSI、MISO的時序邏輯正確才能正確的配置寄存器。

      3 結語

      本設計最終完成了FPGA驅動nRF24L01無線傳輸語音信號的功能,系統(tǒng)可以工作在單工,半雙工模式下。本系統(tǒng)也可以應用在FPGA與FPGA的無線數(shù)據傳輸;通過對nRF24L01進行匹配的配置,可以完成FPGA與單片機的無線數(shù)據交換。該系統(tǒng)可以應用在多種無線傳輸場合,如無線遙控,有源RFID等,對FPGA的無線傳輸提出了一種新的可用的方案。

      參考文獻:

      [1]譚暉.Nordic中短距離無線應用入門與實踐.北京航空航天大學出版社.

      [2]陳欣波,等.Altera FPGA工程師成長手冊.清華大學出版社楊軍.

      [3]楊軍,蔡光卉,黃倩,等.基于FPGA的數(shù)字系統(tǒng)設計與實踐.

      [4]閻石.數(shù)字電子技術基礎[M].高等教育出版社,2009,12.

      [5]李亞彬.基于無線控制與無線傳輸?shù)臄?shù)據采集系統(tǒng)[D].南京:南京理工大學,2007,6.

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