无线语音通信系统设计【毕业论文】

《无线语音通信系统设计【毕业论文】》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

本科毕业论文（20届）无线语音通信系统设计专业：机械设计制造及其自动化2 摘要：本文基于SPCE061A单片机采用无线收发芯片nRF2401设计了一款无线语音通信系统。系统硬件由SPCE061A单片机控制模块和无线收发模块两部分构成，其中无线收发模块包括主芯片nRF2401A及其外围电路、接口电路、指示电路。软件系统采用C语言进行设计，利用unSPIDE仿真软件进行编译，实现了无线语音通信系统功能。关键词：无线语音通信；单片机；无线收发。TheDesignofWirelessVoiceCommunicationSystemAbstract：BasedonSPCE061AandthewirelesstransceiverchipnRF2401wedesignedasimplewirelessvoicetransmissionsystem.ThesystemhardwareisconsistedofSPCE061AMCUmoduleandthewirelesstransceivermodule.Inwhich,wirelesstransceivermoduleincludenRF2401A,InterfacecircuitandIndicatingcircuit.TheSoftwaredesigneduseClanguage,anduseunSPIDEassimulationsoftwaretocompile,realizedthefunctionofwirelessvoicecommunicationsystem.Keywords：WirelessVoiceCommunicationSystem;SCM；wirelesstransceiverandreceive2 目录1引言11.1设计背景和设计的意义11.1.1设计背景11.1.2设计意义21.2方案选择及方案论证21.2.1方案选择21.2.2方案论证42无线语音通信系统概述42.1无线语音通信系统的工作原理42.2无线语音通信系统的功能分析53无线语音通信系统的硬件电路设计53.1单片机SPCE061控制电路设计53.1.1单片机最小系统设计73.1.2电源电路73.1.3放声电路设计83.1.4录音电路设计83.2无线收发控制电路设计94无线语音通信系统的软件设计104.1主程序设计114.2录音子程序设计124.3放音子程序145系统调试和仿真155.1unSPIDE软件程序调试155.2遇到的问题和解决方法166总结16致谢18附录190 1引言1.1设计背景和设计的意义1.1.1设计背景信息时代社会的飞速发展，以科技技术尤其是移动通信技术的发展，改变了人们的生活方式和沟通方式。人们对操作简单、体积小巧、功能强大、携带方便的移动通信设备越来越钟爱，这就极大的促进了无线语音通信技术的发展。近十年来，随着信息科学技术和计算机科学的变革和发展，无线语音通信技术逐渐取代有线语音通信技术，因此无线语音通信成为科学技术发展最活跃最光明的领域之一。无线通信技术的发展日新月异，新理论、新技术、新方法不断涌现。无线语音通信技术已经成为一种发展趋势在各个领域当中逐步得到应用，无线语音通信技术已经广泛的应用在通信、计算机、自动控制、遥控/遥测、医疗设备和家用电器等领域中。无线语音通信传输技术具有成本低、无需通讯电缆、不受应用环境限制、组态灵活、重构性强等优点，这使得无线语音通信技术有广阔的发展空间。目前无线通信已经发展出多个标准。其中最主流的3个标准是802.11（Wi-Fi），蓝牙（Bluetooth），和IrDA，另外最近还出现了UWB和ZigBee。正因为无线通信对科技技术不可代替且巨大的推动作用，所以工业、医疗、汽车和对可靠性要求极高的应用领域都向无线技术逐步转移。（1）蓝牙蓝牙（Bluetooth）是现今无线通信市场上最主流，也是最成熟的无线标准，它最开始是在1994年爱立信在1994年开始研究的一种用来使手机和其附件（如耳机）之间相互通信的无线模块。4年后，也就是在1998年5月由东芝、爱立信、英特尔、诺基亚以及IBM等多家企业共同推出了这项新的无线技术。蓝牙技术能够在10米直径范围内有效连接，并且能达到接近1Mbps的传输速率。目前蓝牙传输标准采用全球开放式2.4GHz工作频段，且带有多点连接功能，最多能够与7个蓝牙设备建立连接，这使得传输吞吐数据量得到很大程度上的提升。现在蓝牙产品已经非常丰富，涉及PC、笔记本电脑等移动通信设备和汽车电子、A/V甚至电器和工业设备领域。但这并不是蓝牙技术的极限，人们预测蓝牙技术还将有更广阔的前景和应用领域。（2）WIFIWIFI（WirelessFidelity，又叫IEEE802.11（a、b、g））也是一种无线通信协议的标准，同蓝牙一样，它也是一种短距传输技术。WIFI工作频段在2.4GHz附近，如果是碰到信号不太稳定的场合，可以适当的该变工作频率，降低传输速度来保证无线数据传输的稳定性。这项技术与蓝牙技术相比，拥有更快的传输速率和对笔记本电脑更好的兼容，可以非常方便地和以太网络进行连接，这使得无线设备组网成本更加低廉。而且相比蓝牙技术，Wi-Fi更突出的优势是无线传输速度。从最低的11Mbps到中端54Mbps甚至是108Mbps都可以完美覆盖，是民用和商用最好的选择。（3）红外线红外线IrDA（InfraredDataAssociation）是第一个实现无线通信的先行者，自从1974年被成功研发和投入使用之后，在数码产品领域中广泛的被使用。它17 是点对点的数据传输协议，通信距离一般在0到1米之间，传输速率最快可达16Mbps，通信介质为波长900纳米左右的近红外线。由于其无需申请频率的使用权，因而红外通信成本低廉。此外，它还具有体积小，功耗低，连接方便，简单易用的优点，因此获得了厂商广泛支持。例如：红外线无线鼠标、手机红外线信息交互、PDA红外线数据接口等相继出现，甚至英特尔TX系列以后所有电脑主机板，都内置有红外线预接口电路（未提供接收发射装置）。IrDA也有其明显的缺点，这使得他的使用受到了一定的限制。它是一种视距传输，2个相互通信的设备之间必须对准，且中间不能有阻隔物，这也造成它只能用于2台设备之间的连接。所以IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。随着通信和信息技术的不断发展，短距离无线通信技术的应用步伐不断加快，正日益走向成熟。其意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益，更重要的意义在于，该技术的应用从根本上改变了传统计算机和通讯设备几乎都是有线设备的格局，使人们的科技生活向无线时代迈进。所以无线语音技术将会有美好的未来。1.1.2设计意义当代科学技术日益向高速化、信息化、网络化发展，使得各种各样的制造业和通信业的设备除了可以与计算机连接外，还可以相互之间连接，从而实现设备之间相互联机的最具发展潜力的方式就是无线语音通信。与有线语音通信方式相比，无线语音通信具有一系列优点，架设周期短，架设方便，通话质量好，保密度高等等优点。过去的无线数据传输产品需要较多的无线电专业知识和价格高昂的专业设备，而且传统的电路方案不是电路繁琐就是调试非常困难，所以会影响用户的使用和新产品的开发。nRF2401系列高速单片无线收发芯片为短距离无线数据传输的应用提供了较好的解决方案，因为采用了低发射功率和高接收灵敏度的设计，因而可以满足无线管制要求，而且使用无需许可证，是目前低功率无线数据传输的最理想的选择，可广泛用于遥控装置、工业控制、无线通信、电信终端、车辆安全、家庭自动化、报警和安全系统等等方面。所以用无线通信技术来实现数据语音传输也就成为了一种很好的选择。1.2方案选择及方案论证1.2.1方案选择方案1：利用nRF2401A无线收发芯片完成系统设计利用16位单片机SPCE061A的语音功能，设计了一款简单的无线语音传输系统，应用nRF2401A无线收发芯片，实现简易的双向无线语音传输功能。采用SPCE061A自带的ADC，通过其MIC通道将语音转换为数字量；按照一定的格式编码后通过nRF无线模块将编码数据发送出去；另一端通过无线模块接收到来自发射端的编码数据，并对之进行解码，解码后的数据通过SPCE061A自带的DAC输出，实现声音的还原。方案一的原理框图如图1-1所示：17 图1-1系统整体框图方案2：采用调频方式实现语音传输以单片机SPCE061A为核心，采用MC145151锁相环完成FM调制等功能；接收机采用CXA1691完成FM解调功能；引入双音频编解码完成语音传输。方案二的原理框图如图1-2所示：图1-2发射机系统框图图1-3接收机系统框图17 1.2.2方案论证对以上两个方案进行论证，并加以选择，确定该设计的总体方案框图以便进一步设计。方案一：优点是利用nRF2401无线收发芯片实现语音传输，系统稳定、可靠，由于nRF2401无线收发芯片所需极少的外设，使得系统的原理显得简单，使用的元器也件少，相对来说在实物调试时出现的问题就少。该方案还有一个好处是成本低。缺点是使用nRF2401无线收发芯片要求写程序。对于不熟悉软件的人来说要单独完成该设计有一定的难度。方案二：优点是利用双音频实现了数据的传输。发射机采用锁相环产生载频，频率稳定度高，接收机采用了调频接收专用IC，灵敏度高，有效的提高了接收数据的可靠性，增大通信距离。能很好地实现设计要求的功能。缺点是该方案复杂，一般不容易弄明白它的原理，而且应用的元器件较多，在实物调试时出现的问题可能会比较多。而且由于元器件比较多，所以就造成实物的成本比较高，而且在PCB布线时更加麻烦。因为原理复杂，所以成功完成设计的概率较低。通过对以上设计方案比较，该设计选用方案一进行设计。1无线语音通信系统概述2.1无线语音通信系统的工作原理整个系统的结构如图2-1所示，系统由两块61单片机和nRF2401无线模块构成，为了方便互相通信一个为A模块一个为B模块。两个模块的硬件和软件设计是一致的。接收无线模块无线模块BA发送控制控制放音录音单片机模块单片机模块录音放音图2-1系统结构总框图17 硬件部分的工作原理：语音模拟信号通过录音电路转化为数字信号，按照一定的数据压缩格式对信号进行编码。再由单片机模块控制无线射频模块把已经编好的信号发射出去。信号由B实物的无线模块接受到，并经过单片机模块的解码还原成语音模拟信号，再经由放声电路播放出来。软件部分的工作原理：为了便于分析，将系统分为3种工作状态：等待状态、录音状态、放音状态。程序运行后，A实物和B实物均处于等待状态，在等待状态下可以通过按键进入录音状态；进入录音状态后进行录音并将压缩后的数据发送；另一端在接收到数据后进入放音状态，接收数据并进行解码。通过改变按键的状态可退出录音状态，停止录音和数据发送；另一端在一定时间内接收不到数据即退出放音状态。三种状态间的切换关系如图2-2：图2-2系统状态切换图2.2无线语音通信系统的功能分析本文论述设计的无线语音通信系统具有低发射功率和高接收灵敏度的特点，是短距离无线数据传输的良好的解决方案。它能实现对语音资源的录音并将其压缩后通过无线模块发射。同时它也具备对发送的语音资源数据进行接收解码然后播放，并且快速保真。该系统的发送和接受是分时占用的，而且发射和接收可以实现录放功能，能高效的完成任务。1无线语音通信系统的硬件电路设计本次论文的主要任务是设计一个基于单片机控制的无线语音通信系统。硬件电路设计中，单片SPCE061A和无线收发芯片nRF2401A。其中61单片机的硬件电路大体上可分为SPCE061A最小系统、电源电路、录音电路、发声电路构成。无线收发模块为nRF2401A芯片、晶振模块、天线模块。3.1单片机SPCE061控制电路设计17 SPCE061A是一款十六位单片机，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。支持标准C语言，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。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（μ’nSPIDE）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。下图3-1为SPCE061A单片机的内部结构框图：图3-1单片机内部结构框图SPCE061A性能简介：l16位μ’nSP微处理器l工作电压（CPU）VDD为3.0~3.6V，（I/O）VDDH为3.0~5.5VlCPU时钟：0.32~49.152MHzl内置2K字SRAMl内置32K字FLASHl可编程音频处理l晶体振荡器l系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2uA/3.6Vl2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）l2个10位DAC（数/模转换）输出通道l32位通用可编程输入/输出通道l14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l具备触键唤醒的功能l使用凌阳音频编码SACM_S480可以播放压缩的语音资源l锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号l32768Hz实时时钟l7通道10位电压模/数转换器（ADC）和单通道声音模/数转换器17 l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l具备串行设备接口l具备低电压复位功能和低电压检测功能l内置在线仿真电路接口l具有WatchDog功能3.1.1单片机最小系统设计SPCE061A最小系统中，包括SPCE061A芯片及其外围基本模块，其中外围的基本模块有晶振输入模块（OSC）和复位电路（RESET）如图3-2所示：图3-2SPCE061A最小系统3.1.2电源电路图3-3是电源部分的电路，提供的5V直流电压经过SPY0029后产生3.3V给整个系统供电。SPY0029采用CMOS工艺，具有静态电流低、驱动能力强、线性调整出色等特点。图中的VDDH3为SPCE061A的I/O电平参考，如果该点接SPCE061A的51脚，可使I/O输出高电平为3.3V；VDDP为PLL锁相环电源，接SPCE061A的7脚；VDD和VDDA分别为数字电源与模拟电源，分别接SPCE061A的15脚和36脚；AVSS1是模拟地，接SPCE061A的24脚；VSS是数字地，接SPCE061A的38脚；AVSS2接音频输出电路的AVSS2。17 图3-3电源电路3.1.3放声电路设计图3-4是音频输出电路图。SPCE061A内置2路10位精度的DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。图中的SPY0030是凌阳的一款音频放大芯片，可以工作在2.4~6V范围内，最大输出功率可达700mW。图3-4放声电路3.1.4录音电路设计SPCE061A芯片中已经集成了音频输入专用ADC以及AGC放大电路，因此芯片外部的电路比较简单，图3-5是录音电路模块。图3-5录音电路17 3.2无线收发控制电路设计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收发。该芯片采用QFP24封装，其管脚排布如图3-7：图3-7nRF2401A的管脚排布该系统主要包括61单片机和无线收发模块。其中61单片机的硬件电路大体上可分为SPCE061A最小系统、电源电路、录音电路、发声电路。无线收发模块可分为nRF2401A芯片模块、晶振电路、天线部分。nRF2401A及其外围电路如图3-8，包括nRF2401A芯片部分、晶振部分、天线部分。电压VDD经电容C1、C2、C3处理后为芯片提供工作电压；晶振部分包括Y1、C9、C10，晶振Y1允许值为：4MHz、8MHz、12MHz、16MHz，如果需要1Mbps的通信速率，则必须选择16MHz晶振。天线部分包括电感L1、L2，用来将nRF2401A芯片ANT1、ANT2管脚产生的2.4G电平信号转换为电磁波信号，或者将电磁波信号转换为电平信号输入芯片的ANT1、ANT2管脚。17 图3-8nRF2401A及其外围电路1无线语音通信系统的软件设计系统运行后处于等待状态，在等待状态下不断扫描按键并判断是否接收到数据。如图4-1，如果检测到按键按下则进入录音状态，进行录音并将压缩后的数据发送；另一端在接收到数据后进入放音状态，接收数据并进行解码。如果想要停止录放音，可以通过释放按键退出录音状态，停止录音和数据发送；另一端在一定的时间内接收不到数据即退出放音状态。图4-1系统状态切换图17 4.1主程序设计系统首先初始化nRF2401A为接收状态，之后进入主循环，在主循环中扫描KEY1键和播放允许标志PlayFlag，如果检测到KEY1键按下则进入录音装态，如果检测到PlayFlag=0xFF则进入放音状态。如果KEY1键释放则退出录音状态，如果检测到PlayFlag=0x00则退出放音状态。如图4-2所示。图4-2系统主程序流程图主程序代码如下：intmain(void){……nRF2401_Initial();//nRF2401初始化……nRF2401_Mode(0);//nRF2401工作方式，接收……while(1){……if((*P_IOA_Data&0x0001)==1)//如果Key1按下，录音并发送{……17 SACM_DVR1600_Rec(0,1);//录音（12k编码）while((*P_IOA_Data&0x0001)!=0)//Key1一直按下{……nRF2401_SendBuffer_Word(SourceBuf,L_Fram);//发送数据}……}if(PlayFlag==0xff)//接收到数据……SACM_DVR1600_Play(0,DAC_1+DAC_2,RAMP_UP_DN);//放音……}}4.2录音子程序设计在检测到KEY1键按下后进入录音子程序。进入程序后首先禁止1KHz中断，屏蔽来自nRF2401A的数据请求，并切换nRF2401A工作方式为接收；之后作初始化工作，初始化编码队列，设置编码格式等；如果按键KEY1一致处于闭合状态，程序将会不断地进行编码操作，每产生一桢编码数据后将数据写入nRF2401A，进行无线发送。一旦KEY1键释放，停止录音，并切换nRF2401A工作方式为接收，同时允许1KHz中断。程序流程如图4-5所示：17 图4-5录音子程序录音子程序代码如下：*P_INT_Mask&=~C_IRQ4_1KHz;//关闭1KHz中断，禁止接收语音资源nRF2401_Mode(1);//nRF2401工作方式，发送Queue_Init();//初始化编解码队列SACM_DVR1600_Initial();//DVR初始化SACM_DVR1600_Rec(0,1);//录音（12k编码）while((*P_IOA_Data&0x0001)!=0)//Key1一直按下{……SACM_DVR1600_ServiceLoop();//编码if(Queue_Test()!=0xffff)//有数据?{17 for(i=0;i