基于AVR 8位單片機(jī)的短距離立體聲數(shù)字音頻無線傳輸系統(tǒng)開發(fā)

與相同傳輸距離的有線音頻傳輸系統(tǒng)相比，無線音頻傳輸系統(tǒng)減少了線纜的開銷，傳輸距離也不再受線纜長(zhǎng)度的限制，解決了有線音頻傳輸布線困難、影響美觀和浪費(fèi)線纜等問題，而且占用空間小、能耗低、使用更加靈活、方便。因此，短距離無線通信已成為當(dāng)前研究的一個(gè)熱點(diǎn)。ISM(Industrial Scientific Medical)2.4GHz(2.4G～2.4835GHz)頻段， 由于具有較高的帶寬和相對(duì)較低的實(shí)現(xiàn)成本，在各種產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。但這種通用性也產(chǎn)生了性能下降與成本增加等問題。目前國(guó)內(nèi)外同類無線技術(shù)方案主要是基于藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)品方案以及一些小廠商提供的基于2.4GHz的產(chǎn)品方案。在一些特定的應(yīng)用中，追求的目標(biāo)是更低的成本與更高的音質(zhì)， 對(duì)通用性的要求并不高， 采用藍(lán)牙或無線局域網(wǎng)技術(shù)則顯然不合適。而在音頻信號(hào)處理過程中，由于其數(shù)據(jù)量大，處理算法復(fù)雜，實(shí)時(shí)性要求比較高，當(dāng)今一些小廠商提供的基于2.4GHz的產(chǎn)品方案[1]實(shí)現(xiàn)成本相應(yīng)較高。

基于以上特點(diǎn)，本著先進(jìn)性、科學(xué)性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性相統(tǒng)一的原則，本文設(shè)計(jì)一種低成本、適用面廣的無線數(shù)字音頻傳輸系統(tǒng)。

1 數(shù)字音頻無線傳輸系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以MCU主控模塊為核心，由發(fā)送子系統(tǒng)和接收子系統(tǒng)組成。發(fā)送部分從音頻輸出設(shè)備采集音頻信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字音頻信號(hào)，再通過SPI接口將數(shù)字音頻信號(hào)傳至主控模塊進(jìn)行壓縮編碼處理，壓縮完成的數(shù)據(jù)成幀后經(jīng)串行口傳送給射頻芯片，經(jīng)過射頻芯片內(nèi)部的一系列處理后，將控制信號(hào)和音頻數(shù)據(jù)發(fā)送出去（發(fā)送的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行一定的功率放大處理，以達(dá)到較好的傳輸效果）。接收部分的工作是其逆過程。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。


2 系統(tǒng)各模塊的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)及初始配置

A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊選擇WOLFSON 公司的WM8739和WM8731器件。WM8731是一款帶有集成耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器的極低功耗、高質(zhì)量音頻編碼解碼器，專為便攜數(shù)字音頻應(yīng)用而設(shè)計(jì)。該器件可以提供CD音質(zhì)的音頻錄音和回放，為16Ω的負(fù)載提供50mW的輸出功率;帶有一個(gè)片上時(shí)鐘發(fā)生器，支持多種時(shí)鐘模式，通過一個(gè)16MHz時(shí)鐘，該器件可以直接生成44.1kHz、48kHz和96kHz等采樣率，以及MP3標(biāo)準(zhǔn)定義的其他采樣率，完全不需要一個(gè)獨(dú)立的鎖相環(huán)（phase locked loop）或晶振,支持其他公用的主時(shí)鐘頻率，例如12.288MHz。而WM8739與WM8731不同的是,它并沒有將A/D轉(zhuǎn)化和D/A轉(zhuǎn)化集成在一起，它只能用作A/D轉(zhuǎn)換模塊，其他性能與WM8731相同，其價(jià)格較WM8731便宜。

芯片的初始配置如下：

硬件配置：CSB(Pin20)及MODE(Pin19)均配置為低電平(兩線制傳輸)。
軟件配置：工作模式選擇從機(jī)模式，數(shù)據(jù)順序選擇MSB首先發(fā)送，采樣率控制模式選擇正常模式384分頻，核時(shí)鐘同主時(shí)鐘一樣(由主控模塊提供，為16MHz)，這樣由核時(shí)鐘384分頻即可得到左右聲道的44.1kHz的采樣頻率，該頻率是標(biāo)準(zhǔn)CD 音源的采樣頻率。
其他的軟件配置字均為缺省值。該配置字由SDIN和SCLK寫入，具體規(guī)則可參考芯片使用手冊(cè)[2]。

2.2 RF發(fā)送/接收模塊設(shè)計(jì)及初始配置

RF發(fā)送/接收模塊，選擇NORDIC公司的nRF2401。nRF2401[3]芯片與藍(lán)牙一樣，都工作在2.4GHz自由頻段，能夠在全球無線市場(chǎng)暢通無阻;支持多點(diǎn)間通信，最高傳輸速率達(dá)1Mbps，而且比藍(lán)牙具有更高的傳輸速度;采用SoC方法設(shè)計(jì)，只需少量外圍元件即可組成射頻收發(fā)電路。

對(duì)該芯片的初始配置如下：對(duì)發(fā)送和接收模塊的激活模式分別選擇transmit模式和receive模式，通信模式選擇Direct模式，頻率通道初始配置為2.4GHz，輸出功率增益選擇為-10dBm，晶振頻率選擇16MHz，RF數(shù)據(jù)傳輸速率選擇1Mbps。

其他的軟件配置字均為缺省值。其配置字由DATA端口串行逐位寫入。

2.3 MCU主控模塊及系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

MCU主控模塊選擇ATMEL公司的AVR ATmega48[4]。AVR ATmega48是高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)，131 條指令，大多數(shù)指令的執(zhí)行時(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，32×8通用工作寄存器，只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器；4KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash和256B的EEPROM，擦寫壽命均為10 000次；512B的片內(nèi)SRAM；具有獨(dú)立鎖定位的可選Boot代碼區(qū)，通過片上Boot程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，真正的同時(shí)讀寫操作；兩個(gè)具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器，一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器，可編程的串行USART 接口，可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI 串行接口。系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)如下：

(1)如圖2所示將三個(gè)模塊連接在一起。在對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行初始配置之前，要按照?qǐng)D2所示的端口連接方向正確設(shè)置端口的輸入輸出模式，然后要對(duì)系統(tǒng)的各個(gè)時(shí)鐘作正確的配置。系統(tǒng)主時(shí)鐘由16MHz的外部晶振產(chǎn)生，將外部晶振接ATmega48的PB6和PB7即可。MCLK可由PB0的第二功能將16MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘輸出，此時(shí)鐘將作為WM8739的工作時(shí)鐘。ADCLRC可利用PB1的第二功能的定時(shí)器輸出比較功能，將該計(jì)數(shù)器的上限設(shè)為191即可產(chǎn)生44.1kHz的采樣率對(duì)比時(shí)鐘。BCLK可利用PB5的第二功能將主時(shí)鐘二分頻得到SPI 8MHz總線時(shí)鐘。


(2)主控模塊與A/D模塊之間采用SPI串行同步通信。SPI的主要初始控制字配置如下：首先開啟SPI使能和關(guān)閉SPI中斷使能，工作模式選擇主機(jī)模式，數(shù)據(jù)次序設(shè)為MSB首先發(fā)送，主機(jī)SCK速率設(shè)為fosc/2(fosc為系統(tǒng)主時(shí)鐘)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，BCLK信號(hào)作為串行時(shí)鐘來決定串行傳輸速率。在ADCLRC信號(hào)的同步下，音頻數(shù)據(jù)由ADCDAT傳入主控模塊進(jìn)行壓縮編碼處理。

(3)主控模塊與RF模塊之間采用USART串行異步通信。USART主要初始控制字配置如下：開啟發(fā)送使能，同時(shí)關(guān)閉接收使能，工作模式選擇異步奇校驗(yàn)操作模式，波特率設(shè)置為１Mbps，數(shù)據(jù)為8位，停止位為2位。在向RF模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，為保證和接收子系統(tǒng)同步，以ADCLRC信號(hào)作為同步信號(hào)。

(4) 接收子系統(tǒng)與發(fā)送子系統(tǒng)硬件的連接。除了兩個(gè)數(shù)據(jù)傳送端口外，其他連接基本一致。將ATmega48的PB4、PD1與ADCDAT、DATA斷開，且將PB3(MOSI)與WM8731的DACDAT相連，同時(shí)將PB3設(shè)置為輸出端口。另外，將PD0(RXD)與nRF2401的DATA相連,同時(shí)將PD0設(shè)置為輸入端口。此外，在USART初始設(shè)置上要開啟接收使能而關(guān)閉發(fā)送使能即可。

3 主控模塊的軟件流程

由于nRF2401的數(shù)據(jù)傳輸率為1Mbps，而從WM8739對(duì)模擬信號(hào)抽樣量化后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為16bit，左右聲道的采樣率均為44.1kHz,若不對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼壓縮，則需要1.41Mbps(16bit×44.1kHz×2)的數(shù)據(jù)傳輸帶寬，顯然超出了RF模塊的數(shù)據(jù)傳輸能力。為了充分利用線路資源，而又不希望明顯降低音頻信號(hào)的質(zhì)量，就要對(duì)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步壓縮，本文采用自適應(yīng)差分脈沖編碼調(diào)制ADPCM (Adaptive Difference Pulse Code Modulation)的壓縮算法。
ADPCM是利用樣本與樣本之間的高度相關(guān)性和量化階自適應(yīng)來壓縮數(shù)據(jù)的一種波形編碼技術(shù)，它綜合了APCM的自適應(yīng)特性和DPCM系統(tǒng)的差分特性，是一種性能較好的波形編碼。ADPCM的核心思想是：利用自適應(yīng)改變量化階的大小，即使用小的量化階去編碼小的差值，使用大的量化階去編碼大的差值；使用過去的樣本值估算下一個(gè)輸入樣本的預(yù)測(cè)值，使實(shí)際樣本值和預(yù)測(cè)值之間的差值總是最小。ADPCM記錄的量化值不是每個(gè)采樣點(diǎn)的幅值，而是該點(diǎn)的幅值與前一個(gè)采樣點(diǎn)幅值之差。這樣16bit的數(shù)據(jù)經(jīng)ADPCM編碼之后只需4bit表示其差值，數(shù)據(jù)壓縮比為4:1。接收端的譯碼器使用與發(fā)送端相同的算法，利用傳送來的信號(hào)確定量化器和逆量化器中的量化階大小，并且用它來計(jì)算下一個(gè)接收信號(hào)的預(yù)測(cè)值。ADPCM算法實(shí)現(xiàn)框圖如圖3所示。

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行?，以及避免其他同頻率信號(hào)的干擾，定義了如表1所示的傳輸數(shù)據(jù)的幀結(jié)構(gòu)。

數(shù)據(jù)幀的總長(zhǎng)度為64B，其中幀頭為1B，用于射頻芯片進(jìn)行幀同步的前導(dǎo)碼，3B，用于USART進(jìn)行幀同步的同步碼，3B作為地址碼。另外為了保證接收端解碼后的數(shù)據(jù)的連續(xù)性，整個(gè)程序流程將引入“雙緩存區(qū)結(jié)構(gòu)”即存儲(chǔ)區(qū)和發(fā)送區(qū)，在發(fā)送一幀數(shù)據(jù)(位于發(fā)送區(qū))的同時(shí)，要完成對(duì)當(dāng)前幀數(shù)據(jù)的壓縮編碼及存儲(chǔ)(存于存儲(chǔ)區(qū))，在存儲(chǔ)區(qū)放滿之后要將該存儲(chǔ)區(qū)則變?yōu)榘l(fā)送區(qū)，而原來的發(fā)送區(qū)變?yōu)樾碌拇鎯?chǔ)區(qū)。在一幀的結(jié)尾還要產(chǎn)生一個(gè)CRC循環(huán)校驗(yàn)碼，便于在接收端判斷傳送數(shù)據(jù)是否正確有效。接收端收到數(shù)據(jù)時(shí)，要先通過地址碼判斷數(shù)據(jù)是否有效，其余過程為發(fā)送端的逆過程。發(fā)送子系統(tǒng)程序流程如圖4所示。

為避免在2.4GHz公共頻段上容易出現(xiàn)的對(duì)音質(zhì)的干擾，本系統(tǒng)提供了頻點(diǎn)選擇功能，有125個(gè)頻點(diǎn)可選。如果系統(tǒng)在工作過程中，發(fā)現(xiàn)有較強(qiáng)的噪音出現(xiàn)，即在當(dāng)前頻點(diǎn)存在干擾影響輸出音質(zhì)時(shí)，可選擇新的工作頻點(diǎn)，以保持產(chǎn)品良好的使用效果。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)充分利用了ATmega48豐富的片上外設(shè)，方便地實(shí)現(xiàn)了對(duì)語音芯片WM8739/8731和單片無線收發(fā)芯片nRF2401的連接。本系統(tǒng)應(yīng)用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無線數(shù)據(jù)傳輸中，系統(tǒng)工作于ISM頻段，有125個(gè)可選頻點(diǎn)，44.1Kbps數(shù)字音頻采樣率，16bit樣本量化級(jí)，20Hz~20kHz頻率響應(yīng)，音頻輸出達(dá)到CD音質(zhì)效果，有效傳輸距離達(dá)到100m，有障礙物情況下能達(dá)到40m。

本系統(tǒng)為無線傳輸系統(tǒng)提供了一種比較實(shí)用且經(jīng)濟(jì)的解決方案，可以廣泛地應(yīng)用于無線耳機(jī)、話筒，小范圍內(nèi)的廣播、家庭影院的后置音箱、多功能會(huì)議廳、多房間無線音響系統(tǒng)，無線教室教學(xué)系統(tǒng)等場(chǎng)合。