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(qū)動，完成了FPGA與其他控制器通過無線的方式交換數(shù)據(jù)的功能。

【關(guān)鍵詞】FPGA nRF24L01 無線通信

1 引言

隨著通信技術(shù)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(shè)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(fēng)采集將語音信號轉(zhuǎn)變成電壓信號，經(jīng)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(jīng)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(qū)動DAC將數(shù)字信號轉(zhuǎn)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(shè)備有FPGA和nRF24L01。nRF24L01是有NORDIC生產(chǎn)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(yīng)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(shè)計通信設(shè)備的高速協(xié)議接口。設(shè)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(jù)的無線發(fā)送；接收端使用配對的nRF24L01模塊接收數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)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(diào)制器和解調(diào)器（圖1）。它擁有最大0dBm的發(fā)射功率，無線速率可設(shè)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(jù)接收，芯片內(nèi)部集成了所有與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號處理部分，具有自動重發(fā)丟失數(shù)據(jù)包和自動產(chǎn)生應(yīng)答信號等功能。芯片內(nèi)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(jù)交換（圖2）。輸出功率、頻道選擇、和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進行設(shè)置。與控制器相連只需要6個IO口：標(biāo)準(zhǔn)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(jù)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(guān)機模式。收發(fā)模式有ShockBrustTM模式和EnHancedShockBurstTM模式。ShockBrustTM模式下，使用了內(nèi)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(yīng)答和丟失包的重發(fā)，而無需控制器的介入。本設(shè)計使用了EnHancedShockBurstTM模式。待機模式是為了減小平均電流而設(shè)計，部分片內(nèi)晶振仍在工作，在保證快速啟動的同時減少了平均電流。關(guān)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(nèi)。

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(jù)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(qū)動nRF24L01

FPGA器件在設(shè)計邏輯電路與時序控制電路有其自身的優(yōu)勢，本設(shè)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(jù)或者接收一位數(shù)據(jù)，讀寫時序都需要先寫入目標(biāo)寄存器地址，然后寫入數(shù)據(jù)或者讀取數(shù)據(jù)，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(jù)。配置寄存器時，查找nF24L01d數(shù)據(jù)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(yán)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(jié)語

本設(shè)計最終完成了FPGA驅(qū)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(yīng)用在FPGA與FPGA的無線數(shù)據(jù)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(jù)交換。該系統(tǒng)可以應(yīng)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(yīng)用入門與實踐.北京航空航天大學(xué)出版社.

[2]陳欣波，等.Altera FPGA工程師成長手冊.清華大學(xué)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(shè)計與實踐.

[4]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)[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(jù)采集系統(tǒng)[D].南京：南京理工大學(xué)，2007，6.