基于nRF24E1的無(wú)線(xiàn)同聲傳譯系統的設計與實(shí)現

摘要：介紹了射頻收發(fā)芯片nRF24E1的性能特點(diǎn)，闡述了基于此芯片的無(wú)線(xiàn)同聲傳譯系統的系統結構，分析了語(yǔ)音發(fā)送和接收的工作原理以及實(shí)現本系統所要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，最后通過(guò)實(shí)驗驗證了系統的性能。
關(guān)鍵詞：同聲傳譯系統 RF nRF24E1 PWM 8051

0. 前言

隨著(zhù)國際交流與合作的日益頻繁，國際性的會(huì )議越來(lái)越多，來(lái)自不同國家和地區的代表用自己熟悉的語(yǔ)言進(jìn)行發(fā)言討論，這就需要有一套同聲傳譯系統將發(fā)言的內容翻譯成幾種與會(huì )代表都能聽(tīng)懂的語(yǔ)言。目前，同聲傳譯系統已成為國際性會(huì )議廳的必備設施。

同聲傳譯系統是在同時(shí)使用不同語(yǔ)種的會(huì )議場(chǎng)合，將發(fā)言者的語(yǔ)言（原語(yǔ)）由譯員同步翻譯（譯語(yǔ)），并傳遞給聽(tīng)眾的裝置^[1]。

同聲傳譯系統按傳送方式可分為有線(xiàn)同聲傳譯系統和無(wú)線(xiàn)同聲傳譯系統^[1]。無(wú)線(xiàn)同聲傳譯系統按信號發(fā)射方式可分為紅外線(xiàn)輻射式、無(wú)線(xiàn)感應式和調頻發(fā)射式。由于調頻發(fā)射式具有抗干擾能力強、覆蓋面積大、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統采用了調頻發(fā)射式。

本文設計與實(shí)現了基于無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片nRF24E1的同聲傳譯系統。

1. 無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片nRF24E1的特點(diǎn)介紹

nRF24E1芯片是北歐集成電路公司NORDIC推出的一款帶2.4GHz無(wú)線(xiàn)收發(fā)器nRF2401和增強型8051內核的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。該芯片的通道運算時(shí)間小于200μs，數據速率為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級芯片。內部嵌有與8051兼容的微處理器和10位9輸入的模/數轉換器，可以在1.9V～3.6V之間的電壓下穩定工作；另外還嵌有電壓調整器和VDD電壓監視器。無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分有與nRF2401同樣的功能，該功能由內部并行口和內部SPI啟動(dòng)，每一個(gè)待發(fā)信號對于處理器來(lái)講都可以作為中斷進(jìn)行編程，或者通過(guò)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)和醫學(xué)）頻段2.4～25GHz內實(shí)現無(wú)線(xiàn)通訊。其收發(fā)部分包含有分頻器、放大器、調節器和兩個(gè)收發(fā)單元，輸出能量、頻段和其它射頻參數可通過(guò)射頻寄存器方便地編程調節。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，所以功耗相當低^[2]。

2. 同聲傳譯系統的基本結構

如圖1所示，整個(gè)同聲傳譯系統由主席單元、代表單元、譯音單元和其他的一些輔助設備組成^[6]：

圖1 整個(gè)系統的基本結構框圖

主席單元上有優(yōu)先權按鈕，一般分配給會(huì )議主持人或貴賓使用。整個(gè)系統的過(guò)程控制完全由主席單元來(lái)管理和控制。本系統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的控制中心，實(shí)現對整個(gè)系統的軟硬件（包括代表單元、主席單元、譯音單元和音頻接口設備）進(jìn)行統一管理和指揮。其主要功能如下：

（1） 限制發(fā)言人數；

（2） 處理多種語(yǔ)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） 總音量調節及輸入電平調節；

（5） 配合視頻切換臺、高速云臺攝像機及視頻控制軟件，可實(shí)現攝像機自動(dòng)跟蹤功能，當代表開(kāi)啟話(huà)筒時(shí)，攝像機會(huì )立即跟蹤到該話(huà)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(guò)來(lái)的原語(yǔ)或譯語(yǔ)翻譯成會(huì )議規定的語(yǔ)種。

主席機、代表機和譯音機之間通過(guò)nRF24E1無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片實(shí)現數據通信，它們的基本電路都是相似的，如圖2所示：

圖2 利用nRF24E1實(shí)現通信的基本框圖

nRF24E1芯片是無(wú)線(xiàn)數據采集、收發(fā)部分的核心，通過(guò)內嵌的8051單片機內核，控制芯片內的A/D轉換模塊和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊nRF2401，從而實(shí)現數據的采集、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，內部存放系統運行所需的程序。當模塊加電后先將EEPROM中的程序調入芯片的RAM中，然后運行程序。EEPROM通過(guò)SPI(串行外設接口)與nRF24E1芯片連接。

nRF24E1芯片內嵌有9通道的10位ADC模塊，可對麥克風(fēng)送過(guò)來(lái)的模擬的音頻信號進(jìn)行A/D轉換。

nRF24E1具有一個(gè)可編程控制的PWM輸出。使用時(shí)，通過(guò)編程可決定PWM工作在６位、７位或８位^[1]。nRF24E1中PWM調制器的最大載波頻率為64KHz，這個(gè)頻率更易于數據接收后的過(guò)濾。

鍵盤(pán)和LCD顯示屏實(shí)現系統的人機界面功能。

3. 語(yǔ)音的采集、發(fā)送及接收過(guò)程

會(huì )議代表的發(fā)言（原語(yǔ)）經(jīng)麥克風(fēng)拾音后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)調頻傳輸到譯音單元，然后由翻譯人員譯成各種規定好的語(yǔ)言，再經(jīng)無(wú)線(xiàn)調頻把譯音送到各個(gè)代表單元。

nRF24E1芯片內嵌有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(shí)，PWM的輸出值也是每隔125μm更新一次。nRF24E1之間在進(jìn)行數據通信之前必須先同步化(握手)。在ShockBurst通信方式下，每個(gè)RF數據包含有24個(gè)字節或3ms的音頻采樣信號^[7]。

語(yǔ)音的發(fā)送和接收過(guò)程如圖3所示：

在發(fā)送端，ADC模塊對麥克風(fēng)送過(guò)來(lái)的模擬音頻信號進(jìn)行A/D轉換；采集到的數字音頻信號，在不夠一個(gè)RF數據包之前，存儲在微控制器8051內開(kāi)辟的發(fā)送緩沖區（TxBuf）中；采樣數據滿(mǎn)包后，8051一邊存儲下一個(gè)數據包，一邊把已滿(mǎn)的數據包轉移到RF前端去^[7]。

在接收端，當RF前端收到1個(gè)有效的數據包，并且微控制器收到1個(gè)RF接收中斷的時(shí)候，接收到的數據包中的有效數據部分可用RF前端的FIFO分離出來(lái)；然后，把分離出的有效數據部分存儲到8051內的接收緩沖區（RxBuf）；存在接收緩沖區的語(yǔ)音信號以PWM信號的形式輸出；PWM輸出通過(guò)8位PWM引擎來(lái)驅動(dòng)，不需要微控制器分擔處理任務(wù)^[7]；最后語(yǔ)音信號被送到揚聲器。

圖3 語(yǔ)音的采集、發(fā)送和接收

4. 系統實(shí)現的關(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

同聲傳譯系統的各個(gè)設備之間主要進(jìn)行的是語(yǔ)音信號的通信。原語(yǔ)通過(guò)無(wú)線(xiàn)調頻發(fā)送到代表單元和譯音單元；譯音單元又把接收到語(yǔ)音信號翻譯成規定的語(yǔ)種，再發(fā)送到代表單元和其它的譯音單元。所以實(shí)現各個(gè)設備之間的語(yǔ)音信號通信是最基本的要求。通過(guò)nRF24E1芯片中的nRF2401無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊即可實(shí)現各個(gè)設備之間的譯音通信。此時(shí)，nRF24E1工作在ShockBurst收發(fā)模式下。這樣，nRF2401無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊通過(guò)一個(gè)通道來(lái)發(fā)送并接收數據，即工作于單通道模式。

在各個(gè)設備進(jìn)行語(yǔ)音通信的同時(shí)，有時(shí)還要進(jìn)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(yǔ)速放慢時(shí)，需要通過(guò)按鍵向主席單元發(fā)出請求信號；主席單元也要根據情況相應給出應答信號。這樣，就會(huì )出現各個(gè)設備之間語(yǔ)音信號和控制信號同時(shí)進(jìn)行通信的情況。它們分別占用一個(gè)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(guò)一個(gè)天線(xiàn)，能夠接收兩個(gè)頻率相差8MHz（８個(gè)頻率通道）的1Mbps發(fā)射器（如nRF24E1、nRF2401或nRF24E2）發(fā)送的數據。這兩個(gè)不同數據頻道的數據被分別送到兩套不同的接口――數據頻道1為CLK１、DATA和DR１，數據頻道２為CLK2、DOUT２和DR2，見(jiàn)圖4。

所以，在語(yǔ)音通信時(shí)，nRF24E1是工作在ShockBurst單通道收發(fā)模式下；在語(yǔ)音信號和控制信號同時(shí)進(jìn)行通信時(shí)，nRF24E1工作在ShockBurst雙通道接收模式下。這就需要兩個(gè)模式不斷的切換。主要用程序來(lái)實(shí)現，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(wú)線(xiàn)調頻覆蓋面比較廣，只要有無(wú)線(xiàn)接收設備，就能夠接收到無(wú)線(xiàn)調頻信號?，F在的無(wú)線(xiàn)同聲傳譯系統產(chǎn)品大多是基于紅外的，而較少采用無(wú)線(xiàn)調頻，其中一個(gè)的原因就是其保密性不好。

那么，如何提高基于無(wú)線(xiàn)調頻的同聲傳譯系統的保密性就成了一個(gè)非常重要的問(wèn)題。本系統采用的nRF24E1芯片即可基本解決這個(gè)問(wèn)題。

首先，nRF24E1的工作頻率是2.4G~2.5GHz。一般的無(wú)線(xiàn)接收設備（如收音機）其工作頻段是達不到這個(gè)范圍的。

其次，可以通過(guò)程序實(shí)現為每個(gè)nRF24E1芯片分配地址，只有被分配了地址的nRF24E1之間才能進(jìn)行通信。nRF24E1芯片之間傳輸的是248位的RF數據包，包括8位前綴+32位地址+24字節有用數據+16位CRC，其結構如圖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據包里面的地址匹配，接收端的nRF24E1才能接收到此數據包；否則，就接收不到。這樣，就可以提高系統的保密性，而避免被人竊聽(tīng)。

圖5 RF數據包結構^[4]

5. 結束語(yǔ)

本系統是基于射頻收發(fā)芯片nRF24E1的同聲傳譯系統。與紅外同聲傳譯系統相比，該系統對外部的噪聲(如太陽(yáng)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。因此本系統有著(zhù)良好的發(fā)展前景。

本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：

1. 本課題是基于調頻的無(wú)線(xiàn)同聲傳譯系統。當前的無(wú)線(xiàn)同聲傳譯系統多是紅外同聲傳譯系統產(chǎn)品，而基于調頻的無(wú)線(xiàn)同聲傳譯系統很少。
2. 當前的同聲傳譯系統結構中，主席機和系統主機是分開(kāi)的，這樣需要額外的系統主機操作員；而本系統把系統主機集成到主席機上，讓主持會(huì )議的人統一對系統進(jìn)行管理。

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