使用助听应用开发套件 1.0 实现 NFMI 无线耳机设计 引言 PIETER VERSCHUEREN 产品经理 FTF-MHW-N1979 2016 年 9 月
议程 助听设备 NFMI 简介 NxH2280 NFMI 无线电 无线耳机应用 1 1
助听设备 2
无需电缆, 畅享欢快运动时光! 在运动和健身活动期间使用的音频解决方案应该简单易用并且安全可靠 一个真正的无线耳塞解决方案应该能够让您在锻练健身时享受喜爱的音乐 结合生命体征连续监控功能时, 您还可获取体能反馈, 从而优化训练内容 3
现有 RF 解决方案 : 几乎已堪称完美 市场上现有的耳塞仍然在两个耳塞之间采用有线连接 使用标准蓝牙 A2DP 配置文件不可能向两个不同耳塞发送立体声音频流 : 这是一个点对点解决方案 使用现有 2.4 GHz RF 解决方案在两耳之间转发高品质音频流显然非常困难 大多数信号都会被人体组织吸收 Audio L+R Bluetooth Audio R 4
NFMI, 打造真正的无线耳塞! NFMI 是用于两耳之间无线音频和数据连接的最佳技术 可接近人体可靠地工作 短距离传输音频和数据流时提供最低功耗 (<1m) Audio L+R NFMI Audio R Bluetooth 5
NFMI, 打造真正的无线耳塞! NFMI 是用于两耳之间无线音频和数据连接的最佳技术 可接近人体可靠地工作 短距离传输音频和数据流时提供最低功耗 (<1m) MP3 player inside NFMI Audio R 6
不仅仅是一个耳机 : 而是助听设备! 无线可穿戴式计算听筒 : 支持语音输入, 将音频结果返回给耳朵 可作为可穿戴设备系统的一部分 : 以智能手表 / 手机为中心 可单独工作 : 以助听设备为核心 助听器行业的突破性技术 ( 低成本器件 ) 入耳式设计和传感器 : 心率 体温 加速度计 助听设备支持 : 真正的无线立体声 听音乐和通话 传感器 / 追踪功能 语音 UI 增强听力 7
NFMI 简介 8
什么是 NFMI, 与 RF 有何不同? 射频 天线发送传播 EM 波 所有传送的能量辐射至可用空间 = 远距离 传输 Ideal transformer Coupling = 1 I_tx 近场磁感应 (NFMI) 耦合两个设备之间紧凑的低功耗非传播场 = 近场 通信 可通过弱耦合变压器建模 初级绕组中的交流电流引发次级绕组中的交流电压 NFMI transceiver Coupling << 1 I_tx V_rx V_rx 9
NFMI 技术的主要优势 1 高能效短距离传输时,NFMI 比射频能效更高 距离取决于天线大小 典型的耳机距离 :20 25 cm 功效 MI 无线电 MI 射频无线电射频 2 适合人体 NFMI 穿过 ( 人体 ) 组织时, 信号强度下降较小, 而射频则不然 NFMI 的特定吸收率比蓝牙低 10000 倍 Tx (RF) Tx (MI) 0.5..1m ( 人体 ) 组织 Rx (RF) 无信号或低信号 Rx (MI) 高信号 距离 合适 3 可靠且私密 MI 信号强度随距离急剧下降可降低干扰水平, 从而提高了可靠性 这还可增加私密性 允许同一房间的多个耳机重复使用载波频率 射频 MI 10
NFMI 天线和范围 NFMI 性能相关因素 材料特性 : 铁氧体磁芯 TX 和 RX 天线外形尺寸 发射功率 : 可片上配置 集成 :PCB 的噪声最小耳塞天线尺寸 参见图片 :D=2mm,L=6mm 较大的天线 : 增大通信范围 通信范围 :20 25 cm 天线设计 多数时候采用自定义设计 仅提供很少的标准型号 6 mm 2 mm 11
天线对齐的影响 area of TX and RX coil orthogonal (no reception) RX C TX RX B area of TX and RX coil co-planar RX A area of TX and RX coil co-axial 12
NFMI 无线电与 NFC NFC NFMI 无线电 近距离 (<10 cm) ARM 长度 ( 最长 1 m) 无源标签和有源读卡器 有源收发器 (TX 和 RX) 点对点通信 支持高达 15 个设备的网络 NFC 读卡器并非低功耗 低功耗发射机 短数据包 数据包与音频流 使用 ISM 频段的标准方案 专有解决方案 13
NxH2280 NFMI 无线电 14
音频总线 控制器总线 NxH2280 NFMI 无线电 : 主要特点 (1/2) 面向无线音频和数据应用的单芯片解决方案 第二代 NFMI 技术 596 kbit/s 传输率 低功耗 可靠 私密 人体组织低吸收率 ARM Cortex-M0 时钟产生单元 电源管理单元 DMA EEPROM 存储器 I 2 C SPI UART GPIO 接口定时器 集成 ARM Cortex-M0 处理器 系统控制器子系统 多种外设 CoolFlux 音频 DSP I 2 S 完全客户可编程 用于音频处理的 CoolFlux DSP 音频延迟控制器 音频编解码器 G.722/ADPCM 音频子系统 系统 接口音频采样速率转换器 MI MAC 控制器 磁感应收发器 15
音频总线 控制器总线 NxH2280 NFMI 无线电 : 主要特点 (2/2) 单独工作或与外部 MCU 配合工作 灵活的嵌入式网络 : 针对低延迟音频优化的协议 并行处理多个音频和数据流 超低功耗运行 双向语音 :1.6 mw @ fs=16 khz ARM Cortex-M0 时钟产生单元 电源管理单元 DMA 系统控制器子系统 EEPROM 存储器 I 2 C SPI UART GPIO 接口定时器 单向音频 :2.5 mw @ fs=48 khz CoolFlux 音频 DSP I 2 S 凸起晶粒封装 10.4 mm 2 单块锌空电池供电 音频延迟控制器 音频编解码器 G.722/ADPCM 音频子系统 系统 接口音频采样速率转换器 MI MAC 控制器 磁感应收发器 16
NxH2280 NFMI 无线电 : 软件开发套件 内容 3 x NxH2280 软件开发板 3 x NFMI 天线 1 x LPC expresso 调试板 1 x USB 连接线 2 x 音频线 ( 耳机孔插头 ) 含软件和文档的闪存磁盘 免费的 LPCXpresso 开发环境 SDK 的演示用例显示 : 单向 双向和立体声音频 针对无线电性能的误码率应用 数据流 恩智浦样品店供货! 17
无线耳机应用 18
NxH2280 ADK 左耳塞, 创建者电路板 (BT + NFMI) balanced armature Debug board battery Earbud board 22 mm removable flat cable 15 mm NFMI antenna 19
NxH2280 ADK 右耳塞, 支持者电路板 ( 仅限 NFMI) Battery 17 mm removable flat cable Earbud board 15 mm Balanced armature debug board NFMI antenna 20
NxH2280 助听设备应用开发套件 (2/2) NxH2280 开发环境 : IDE:LPCXpresso, 免费授权 ADK 套件包中提供示例代码, 包括听音乐和通话用例 NxH2280 EEPROM 编程 : 使用 NxH2280 I2C 接口 : 含脚本, 可将新固件镜像下载至 NxH2280, 使用 LPC-LINK2 开发板 客户可在生产中重复使用 CSR: 所有演示应用的设置和软件文件均在 ADK1.0 套件包中 CSR 特定支持不在恩智浦支持团队的工作范围内 21
NxH2280 ADK1.0: 支持的用例 Bluetooth NFMI 听音乐 Audio L+R Sensor + control data Creator Audio R Sensor + control data Joiner Bluetooth NFMI 通话 Voice TX/RX Sensor + control data Audio R Sensor + control data Creator 22
NxH2280 ADK1.0: 一般特性 使用 NFC 技术轻松配对 (NTAG) NFMI 设备配对 右耳塞的自动低功耗模式 没有 NFMI 连接 : 可切换至低功耗模式 : 在线唤醒 持续丢失连接 : 设备功耗 按钮唤醒 无线固件升级 : 首发 ADK1.0 的软件未预留升级 硬件可实施此功能 左耳塞需要使用其他 uc + 外部 EEPROM 来保存原厂镜像 SDK 中的示例代码 23
NxH2280 ADK1.0 框图 : 左耳塞 (1/2) I2C-SDA I2C-SCL FD# NTAG NT3H1201 3.7V SMPS-1.8V SMPS-1.2V I2C-SCL I2C-SDA I2S-WS I2S-SCK I2S-SO CSR8670 Vbat Vio I2C-SCL I2C-SDA I2S-WS I2S-SCK I2S-SI I2S-SO HostInt NxH2280UK SWMx LA LB I2C-SCL I2C-SDA I2S-WS I2S-SCK I2S-SI MCLK Codec MAX9867 24
NxH2280 ADK1.0 框图 : 左耳塞 (2/2) BT 平台 :CSR8670( 最常用的设备 ) 电源管理 : 由 BT 芯片处理 NTAG: 用于轻松实现 BT 配对的恩智浦 NFC 芯片 用户界面 : 1 个按钮 : 开 / 关 / 静音 / 播放 / 配对 3 个 LED: 开 / 关 / 配对 /BT 连接 扬声器 : 平衡电枢 (Knowles) 电池 : 锂离子,65 mah 麦克风 : 可选 1 个麦克风或 2 个麦克风 ADK1.0 软件只使用 1 个麦克风 编解码器 :MAX9867 简单的小型设备 仅用作 DAC AB 类放大器 低 NFMI 干扰 右耳塞需要 左耳塞可选 对称的音频质量 BT 设备是 I2S 主机 25
I2S-WS I2S-SCK I2S-SO I2C-SDA I2C-SCL NxH2280 ADK1.0 框图 : 右耳塞 (1/2) 3.7V 电池充电器 SMPS 1.8V LDO 1.2V 最大值 17048X+ 电量计 充电器检测 PSU_Hold 可选 LPC1102LVUK HostInt RESETN SWMx Vbat Vio SWMx 64 KB 闪存 I2C-SCL I2C-SDA NxH2280UK SWMx LA 3- 轴 SWMx LB 振荡器 12.288 MHz 启用 I2C-SCL I2C-SDA Mclk 编解码器最大值 9867 I2S-SCK I2S-WS I2S-SI 26
NxH2280 ADK1.0 框图 : 右耳塞 (2/2) 耳塞仅含 NFMI 设备, 不含 BT 电源管理 : 电池充电器 电量计 SMPS: 生成 1.8V Vio LDO: 生成 1.2V Vbat 电量计 : 电池状态 开关电路 用户界面 : 按钮 :1 个, 用于开 / 关 / 静音 / 播放 LED:2 个, 指示模式 ( 开 / 关 / 连接 ) 扬声器 : 平衡电枢 (Knowles) 电池 : 锂离子,65 mah 编解码器 :MAX9867 简单的小型设备 仅用作 DAC AB 类放大器 低 NFMI 干扰 编解码器设备是 I2S 主机 uc:lpc1102lvuk 可选, 尚未使用 无线固件升级需要 闪存 可选, 尚未使用 无线固件升级需要 27
NxH2280 ADK1.0: 音频传输延迟补偿 NxH2280 NxH2280 CSR8670 I2S_SI I2S_SO I2S Slave R G.722 encode NFMI radio NFMI radio Latency controller G.722 decode L Delay line in SW Stereo A2DP: L+R ASRC I2S slave Phone Headphone amplifier Headphone amplifier 使用 NFMI 传输音频可导致音频流延迟 NxH2280 中的硬件可保持延迟恒定且可预测 NxH2280 支持对本地音频流的传输延迟补偿 28
NxH2280 ADK1.0: 性能 ( 听音乐 ) 创建者电路板 (NFMI+BT) 总功耗 (@ 85dBSPL):78 mw 电池寿命 (@ 85dBSPL):3 h NxH2280 功耗 :2.5 mw 支持者电路板 ( 仅限 NFMI) 总功耗 (@ 85dBSPL):22 mw 电池寿命 (@ 85dBSPL):11h NxH2280 功耗 :2.5 mw 系统 NFMI 通信距离 *:20 cm * 使用 D=2mm,L=6mm,K67 铁氧体磁棒 NFMI 天线 29
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