基于nRF24E1的無線同聲傳譯系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)
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摘要：介紹了射頻收發(fā)芯片nRF24E1的性能特點，闡述了基于此芯片的無線同聲傳譯系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析了語音發(fā)送和接收的工作原理以及實現(xiàn)本系統(tǒng)所要解決的關(guān)鍵問題，最后通過實驗驗證了系統(tǒng)的性能。
關(guān)鍵詞：同聲傳譯系統(tǒng) RF nRF24E1 PWM 8051
0. 前言
隨著國際交流與合作的日益頻繁，國際性的會議越來越多，來自不同國家和地區(qū)的代表用自己熟悉的語言進行發(fā)言討論，這就需要有一套同聲傳譯系統(tǒng)將發(fā)言的內(nèi)容翻譯成幾種與會代表都能聽懂的語言。目前，同聲傳譯系統(tǒng)已成為國際性會議廳的必備設(shè)施。
同聲傳譯系統(tǒng)是在同時使用不同語種的會議場合，將發(fā)言者的語言（原語）由譯員同步翻譯（譯語），并傳遞給聽眾的裝置[1]。
同聲傳譯系統(tǒng)按傳送方式可分為有線同聲傳譯系統(tǒng)和無線同聲傳譯系統(tǒng)[1]。無線同聲傳譯系統(tǒng)按信號發(fā)射方式可分為紅外線輻射式、無線感應(yīng)式和調(diào)頻發(fā)射式。由于調(diào)頻發(fā)射式具有抗干擾能力強、覆蓋面積大、成本較低等優(yōu)點，所以本系統(tǒng)采用了調(diào)頻發(fā)射式。
本文設(shè)計與實現(xiàn)了基于無線射頻收發(fā)芯片nRF24E1的同聲傳譯系統(tǒng)。
1. 無線射頻收發(fā)芯片nRF24E1的特點介紹
nRF24E1芯片是北歐集成電路公司NORDIC推出的一款帶2.4GHz無線收發(fā)器nRF2401和增強型8051內(nèi)核的無線收發(fā)模塊。該芯片的通道運算時間小于200μs，數(shù)據(jù)速率為1Mbps，不需要外接SAW濾波器，是目前世界首推的全球通用的低成本射頻系統(tǒng)級芯片。內(nèi)部嵌有與8051兼容的微處理器和10位9輸入的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以在1.9V～3.6V之間的電壓下穩(wěn)定工作；另外還嵌有電壓調(diào)整器和VDD電壓監(jiān)視器。無線收發(fā)部分有與nRF2401同樣的功能，該功能由內(nèi)部并行口和內(nèi)部SPI啟動，每一個待發(fā)信號對于處理器來講都可以作為中斷進行編程，或者通過GPIO端口傳送給微處理器。nRF24E1芯片可以在世界公用的ISM（工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)學(xué)）頻段2.4～25GHz內(nèi)實現(xiàn)無線通訊。其收發(fā)部分包含有分頻器、放大器、調(diào)節(jié)器和兩個收發(fā)單元，輸出能量、頻段和其它射頻參數(shù)可通過射頻寄存器方便地編程調(diào)節(jié)。在發(fā)送模式下，電流消耗只有10.5mA；在接收模式下，電流消耗也只有18mA，所以功耗相當?shù)?SUP>[2]。
2. 同聲傳譯系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)
如圖1所示，整個同聲傳譯系統(tǒng)由主席單元、代表單元、譯音單元和其他的一些輔助設(shè)備組成[6]：
圖1 整個系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)框圖
主席單元上有優(yōu)先權(quán)按鈕，一般分配給會議主持人或貴賓使用。整個系統(tǒng)的過程控制完全由主席單元來管理和控制。本系統(tǒng)把中央控制單元集成到主席單元上，中央控制單元是本系統(tǒng)的控制中心，實現(xiàn)對整個系統(tǒng)的軟硬件（包括代表單元、主席單元、譯音單元和音頻接口設(shè)備）進行統(tǒng)一管理和指揮。其主要功能如下：
（1） 限制發(fā)言人數(shù)；
（2） 處理多種語言翻譯通道；
（3） 具有發(fā)言申請功能，并可否決或批準代表的發(fā)言申請；
（4） 總音量調(diào)節(jié)及輸入電平調(diào)節(jié)；
（5） 配合視頻切換臺、高速云臺攝像機及視頻控制軟件，可實現(xiàn)攝像機自動跟蹤功能，當代表開啟話筒時，攝像機會立即跟蹤到該話筒。
代表單元用于發(fā)言人發(fā)言，其上面有申請發(fā)言的按鈕。
譯音單元包括輸入、輸出及通訊部分，翻譯人員使用譯音單元把傳送過來的原語或譯語翻譯成會議規(guī)定的語種。
主席機、代表機和譯音機之間通過nRF24E1無線收發(fā)芯片實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，它們的基本電路都是相似的，如圖2所示：
圖2 利用nRF24E1實現(xiàn)通信的基本框圖
nRF24E1芯片是無線數(shù)據(jù)采集、收發(fā)部分的核心，通過內(nèi)嵌的8051單片機內(nèi)核，控制芯片內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換模塊和無線收發(fā)模塊nRF2401，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理等功能。
EEPROM部分是nRF24E1芯片的程序存儲器，其容量為4KB，內(nèi)部存放系統(tǒng)運行所需的程序。當模塊加電后先將EEPROM中的程序調(diào)入芯片的RAM中，然后運行程序。EEPROM通過SPI(串行外設(shè)接口)與nRF24E1芯片連接。
nRF24E1芯片內(nèi)嵌有9通道的10位ADC模塊，可對麥克風(fēng)送過來的模擬的音頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換。
nRF24E1具有一個可編程控制的PWM輸出。使用時，通過編程可決定PWM工作在６位、７位或８位[1]。nRF24E1中PWM調(diào)制器的最大載波頻率為64KHz，這個頻率更易于數(shù)據(jù)接收后的過濾。
鍵盤和LCD顯示屏實現(xiàn)系統(tǒng)的人機界面功能。
3. 語音的采集、發(fā)送及接收過程
會議代表的發(fā)言（原語）經(jīng)麥克風(fēng)拾音后，通過無線調(diào)頻傳輸?shù)阶g音單元，然后由翻譯人員譯成各種規(guī)定好的語言，再經(jīng)無線調(diào)頻把譯音送到各個代表單元。
nRF24E1芯片內(nèi)嵌有9通道的10位ADC，它的采樣頻率是8kHz，即每隔125μm采樣一次；同時，PWM的輸出值也是每隔125μm更新一次。nRF24E1之間在進行數(shù)據(jù)通信之前必須先同步化(握手)。在ShockBurst通信方式下，每個RF數(shù)據(jù)包含有24個字節(jié)或3ms的音頻采樣信號[7]。
語音的發(fā)送和接收過程如圖3所示：
在發(fā)送端，ADC模塊對麥克風(fēng)送過來的模擬音頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換；采集到的數(shù)字音頻信號，在不夠一個RF數(shù)據(jù)包之前，存儲在微控制器8051內(nèi)開辟的發(fā)送緩沖區(qū)（TxBuf）中；采樣數(shù)據(jù)滿包后，8051一邊存儲下一個數(shù)據(jù)包，一邊把已滿的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)移到RF前端去[7]。
在接收端，當RF前端收到1個有效的數(shù)據(jù)包，并且微控制器收到1個RF接收中斷的時候，接收到的數(shù)據(jù)包中的有效數(shù)據(jù)部分可用RF前端的FIFO分離出來；然后，把分離出的有效數(shù)據(jù)部分存儲到8051內(nèi)的接收緩沖區(qū)（RxBuf）；存在接收緩沖區(qū)的語音信號以PWM信號的形式輸出；PWM輸出通過8位PWM引擎來驅(qū)動，不需要微控制器分擔處理任務(wù)[7]；最后語音信號被送到揚聲器。
圖3 語音的采集、發(fā)送和接收
4. 系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)
4.1 單通道收發(fā)模式和雙通道接收模式的切換
同聲傳譯系統(tǒng)的各個設(shè)備之間主要進行的是語音信號的通信。原語通過無線調(diào)頻發(fā)送到代表單元和譯音單元；譯音單元又把接收到語音信號翻譯成規(guī)定的語種，再發(fā)送到代表單元和其它的譯音單元。所以實現(xiàn)各個設(shè)備之間的語音信號通信是最基本的要求。通過nRF24E1芯片中的nRF2401無線收發(fā)模塊即可實現(xiàn)各個設(shè)備之間的譯音通信。此時，nRF24E1工作在ShockBurst收發(fā)模式下。這樣，nRF2401無線收發(fā)模塊通過一個通道來發(fā)送并接收數(shù)據(jù)，即工作于單通道模式。
在各個設(shè)備進行語音通信的同時，有時還要進行控制信號的通信。比如，代表單元要申請發(fā)言、譯員請求發(fā)言者語速放慢時，需要通過按鍵向主席單元發(fā)出請求信號；主席單元也要根據(jù)情況相應(yīng)給出應(yīng)答信號。這樣，就會出現(xiàn)各個設(shè)備之間語音信號和控制信號同時進行通信的情況。它們分別占用一個通道，這就要求nRF24E1芯片必須工作在ShockBurst雙通道接收模式下。nRF24E1通過一個天線，能夠接收兩個頻率相差8MHz（８個頻率通道）的1Mbps發(fā)射器（如nRF24E1、nRF2401或nRF24E2）發(fā)送的數(shù)據(jù)。這兩個不同數(shù)據(jù)頻道的數(shù)據(jù)被分別送到兩套不同的接口――數(shù)據(jù)頻道1為CLK１、DATA和DR１，數(shù)據(jù)頻道２為CLK2、DOUT２和DR2，見圖4。
所以，在語音通信時，nRF24E1是工作在ShockBurst單通道收發(fā)模式下；在語音信號和控制信號同時進行通信時，nRF24E1工作在ShockBurst雙通道接收模式下。這就需要兩個模式不斷的切換。主要用程序來實現(xiàn)，其程序代碼如下：
if(DR1)
{
SPI_CTRL = 0x02；// Connect SPI to RADIO CH1
R1xPacket()； // receive audio packet
}
if(DR2)
{
SPI_CTRL = 0x03；// Connect SPI to RADIO CH2
R2xPacket()； // receive control packet
}
圖4 nRF2401收發(fā)器接口
4.2 提高保密性
無線調(diào)頻覆蓋面比較廣，只要有無線接收設(shè)備，就能夠接收到無線調(diào)頻信號?，F(xiàn)在的無線同聲傳譯系統(tǒng)產(chǎn)品大多是基于紅外的，而較少采用無線調(diào)頻，其中一個的原因就是其保密性不好。
那么，如何提高基于無線調(diào)頻的同聲傳譯系統(tǒng)的保密性就成了一個非常重要的問題。本系統(tǒng)采用的nRF24E1芯片即可基本解決這個問題。
首先，nRF24E1的工作頻率是2.4G~2.5GHz。一般的無線接收設(shè)備（如收音機）其工作頻段是達不到這個范圍的。
其次，可以通過程序?qū)崿F(xiàn)為每個nRF24E1芯片分配地址，只有被分配了地址的nRF24E1之間才能進行通信。nRF24E1芯片之間傳輸?shù)氖?48位的RF數(shù)據(jù)包，包括8位前綴+32位地址+24字節(jié)有用數(shù)據(jù)+16位CRC，其結(jié)構(gòu)如圖5。其中的地址指的是接收端nRF24E1的的地址，只有接收端的接收地址與數(shù)據(jù)包里面的地址匹配，接收端的nRF24E1才能接收到此數(shù)據(jù)包；否則，就接收不到。這樣，就可以提高系統(tǒng)的保密性，而避免被人竊聽。
前綴 | 地址 | 有效數(shù)據(jù) | CRC |
圖5 RF數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)[4]
5. 結(jié)束語
本系統(tǒng)是基于射頻收發(fā)芯片nRF24E1的同聲傳譯系統(tǒng)。與紅外同聲傳譯系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)對外部的噪聲(如太陽光，日光燈等)具有很強的抗干擾能力；覆蓋面大，不再需要其它的輻射器或中繼設(shè)備；在低功耗的情況下能很好地完成射頻信號的收發(fā)任務(wù)，而且具有良好的保密性能。因此本系統(tǒng)有著良好的發(fā)展前景。
本文作者創(chuàng)新點：
1. 本課題是基于調(diào)頻的無線同聲傳譯系統(tǒng)。當前的無線同聲傳譯系統(tǒng)多是紅外同聲傳譯系統(tǒng)產(chǎn)品，而基于調(diào)頻的無線同聲傳譯系統(tǒng)很少。
2. 當前的同聲傳譯系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，主席機和系統(tǒng)主機是分開的，這樣需要額外的系統(tǒng)主機操作員；而本系統(tǒng)把系統(tǒng)主機集成到主席機上，讓主持會議的人統(tǒng)一對系統(tǒng)進行管理。
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