一種射頻收發(fā)芯片的交通狀況提示裝置設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用

精品文檔-下載后可編輯一種射頻收發(fā)芯片的交通狀況提示裝置設(shè)計(jì)-設(shè)計(jì)應(yīng)用引言

本交通狀況提示裝置采用調(diào)頻收發(fā)技術(shù)，調(diào)頻收發(fā)廣泛地運(yùn)用在車(chē)輛監(jiān)控、遙控、遙測(cè)、小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線抄表、門(mén)禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無(wú)線標(biāo)簽、身份識(shí)別、非接觸RF智能卡、小型無(wú)線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無(wú)線遙控系統(tǒng)、生物信號(hào)采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無(wú)線232數(shù)據(jù)通信、無(wú)線485/422數(shù)據(jù)通信、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像傳輸?shù)阮I(lǐng)域中。調(diào)頻收發(fā)的工作頻率為431MHzto478MHz，采用聲表諧振器SAW穩(wěn)頻，頻率穩(wěn)定度極高，當(dāng)環(huán)境溫度在－25～＋85度之間變化時(shí)，頻飄僅為3ppm/度。特別適合多發(fā)一收無(wú)線遙控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。聲表諧振器的頻率穩(wěn)定度僅次于晶體，而一般的LC振蕩器頻率穩(wěn)定度及一致性較差，即使采用高品質(zhì)微調(diào)電容，溫差變化及振動(dòng)也很難保證已調(diào)好的頻點(diǎn)不會(huì)發(fā)生偏移。

本系統(tǒng)主要是針對(duì)SiliconLab公司推出的Si4721系列芯片設(shè)計(jì)的，對(duì)于其他系列的產(chǎn)品稍加改動(dòng)即可。

1Si4721單芯片射頻收發(fā)器簡(jiǎn)介

Si472x功能框圖如圖1所示。

Si472x系列主要包含Si4720和Si4721，都是20引腳QFN封裝，支持調(diào)頻信號(hào)76MHz～108MHz全波段收發(fā)，且可全頻段自動(dòng)搜索及頻率自鎖定，工作電壓2.7～5.5V均適用。其設(shè)計(jì)與Si473xAM／FM廣播接收器、Si470xFM廣播接收器，以及Si471xFM發(fā)射器解決方案相兼容。由于這種兼容性，單一PCB設(shè)計(jì)可以無(wú)縫支持所有這些產(chǎn)品。與單片機(jī)通信時(shí)，可使用與I2C兼容的2-Wire、3-Wire及SPI接口方式。

Si472x系列芯片內(nèi)部集成有功能完備的ADC及DAC部件，外部音頻信號(hào)可直接輸入芯片發(fā)射出去，同時(shí)接收到的音頻信號(hào)加放大器后，可驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器播放。Si472x這款全新的單芯片F(xiàn)M廣播收發(fā)器充分利用了獨(dú)特的射頻技術(shù)，在集成與性能方面實(shí)現(xiàn)了又創(chuàng)新。它支持客戶(hù)在簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、降低產(chǎn)品成本的同時(shí)，進(jìn)一步改善了消費(fèi)者的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)。Si472x支持模擬和數(shù)字音頻接口，并提供諸如錄制FM廣播作為鈴聲等特性。由于不再使用多余的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，這種數(shù)字音頻接口還可降低系統(tǒng)功耗、延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。另外，Si472xFM收發(fā)器針對(duì)便攜式應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具有可接收FM廣播信號(hào)，以及從設(shè)備至任何FM接收器創(chuàng)建無(wú)線音頻連接的能力。它也是支持調(diào)頻廣播收發(fā)一體的可支持小型化天線的系列芯片。

2道路交通狀況提示裝置工作原理

本裝置主要包含1個(gè)微控制器、1個(gè)單芯片F(xiàn)M收發(fā)器、1個(gè)可存儲(chǔ)和可實(shí)時(shí)錄入多段語(yǔ)音信息的語(yǔ)音電路、功率放大電路及音頻放大電路。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

系統(tǒng)以SiliconLabs公司的C8051F310為控制。單芯片F(xiàn)M收發(fā)器采用大規(guī)模集成芯片Si4721實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)編程控制使其分別工作在接收或發(fā)射模式。語(yǔ)音模塊采用集成錄放音芯片ISD2560，可實(shí)現(xiàn)錄制和存儲(chǔ)針對(duì)各種交通狀況的語(yǔ)音提示信息（如車(chē)牌號(hào)碼、車(chē)輛故障停車(chē)、道路阻塞或維修等）；同時(shí)可切換錄音話筒直接對(duì)外喊話（如車(chē)輛著火有爆炸危險(xiǎn)、車(chē)禍后人員被困無(wú)法出來(lái)等狀況）。該裝置集接收和發(fā)送于一體。默認(rèn)狀態(tài)處于接收，可接收周?chē)?50m遠(yuǎn)的車(chē)輛發(fā)來(lái)的語(yǔ)音提示或報(bào)警信號(hào)，通過(guò)揚(yáng)聲器循環(huán)播放，以便駕駛員作出相應(yīng)調(diào)整。當(dāng)車(chē)輛遇故障拋錨，或碰到能見(jiàn)度低的雨霧天氣時(shí)，通過(guò)單片機(jī)選中語(yǔ)音芯片中事先存儲(chǔ)好的語(yǔ)音信號(hào)地址，調(diào)出其中存儲(chǔ)的語(yǔ)音內(nèi)容，然后按下發(fā)送按鍵，向周?chē)?chē)輛發(fā)送，并自動(dòng)開(kāi)啟車(chē)內(nèi)危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈，做到多種方式提醒后方來(lái)車(chē)小心駕駛。

當(dāng)遇道路阻塞、道路維修時(shí)，按下相應(yīng)按鈕，打開(kāi)語(yǔ)音模塊的實(shí)時(shí)錄入功能，錄入阻塞道路名稱(chēng)或維修道路名稱(chēng)等相應(yīng)信息（例如：“某某路段現(xiàn)處于賽車(chē)高峰，請(qǐng)各車(chē)輛繞道而行”），按下發(fā)送按鈕，便可以向周?chē)?chē)輛發(fā)送該信號(hào)，以便其他車(chē)輛及時(shí)做出擇道選擇。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1收發(fā)器硬件設(shè)計(jì)

單芯片F(xiàn)M收發(fā)器采用Si4721芯片，接口電路如圖3所示。

Si4721通過(guò)I2C總線兼容的2-Wire工作模式與單片機(jī)通信。單片機(jī)通過(guò)指令控制Si4721工作在發(fā)射模式或接收模式，從語(yǔ)音電路輸出的語(yǔ)音信號(hào)輸入Si4721，經(jīng)過(guò)Si4721內(nèi)部射頻電路及天線發(fā)射出去。單片機(jī)通過(guò)發(fā)送接收模式指令使Si4721工作在接收模式。

3.2微控制器硬件設(shè)計(jì)

微控制器是將微型計(jì)算機(jī)的主要部分集成在一個(gè)芯片上的單芯片微型計(jì)算機(jī)。微控制器誕生于20世紀(jì)70年代中期，經(jīng)過(guò)20多年的發(fā)展，其成本越來(lái)越低，而性能越來(lái)越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無(wú)處不在，遍及各個(gè)領(lǐng)域。例如電機(jī)控制、條碼閱讀器／掃描器、消費(fèi)類(lèi)電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門(mén)禁控制、工業(yè)控制與自動(dòng)化和白色家電（洗衣機(jī)、微波爐）等。微控制器（MicrocontrollerUnit，即MCU）可從不同方面進(jìn)行分類(lèi)：根據(jù)數(shù)據(jù)總線寬度可分為8位、16位和32位機(jī)；根據(jù)存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可分為Harvard結(jié)構(gòu)和VonNeumann結(jié)構(gòu)；根據(jù)內(nèi)嵌程序存儲(chǔ)器的類(lèi)別可分為OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和閃存Flash；根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC（ComplexInstructionSetComputer）和RISC（ReducedInstructionSetComputer）微控制器。

系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F310控制。C8051F31x器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，能實(shí)現(xiàn)51系列單片機(jī)的所有功能，并且速度快、性能好。選用這款功能強(qiáng)大單片機(jī)的目的是為了給整個(gè)系統(tǒng)后續(xù)發(fā)展打下基礎(chǔ)，便于系統(tǒng)功能后續(xù)升級(jí)及擴(kuò)展。

C8051F310使用SiliconLabs公司的CIP-51微控制器內(nèi)核，有29個(gè)I／O引腳（3個(gè)8位口和1個(gè)5位口），端口的工作情況與標(biāo)準(zhǔn)8051相似，但有一些改進(jìn)。每個(gè)端口引腳都可以被配置為模擬輸入或數(shù)字I／O，數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I／O引腳?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器／定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其他數(shù)字信號(hào)配置為出現(xiàn)在端口I／O引腳。

CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12～24MHz。而對(duì)于CIP-51內(nèi)核，70％的指令的執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。CIP-51共有111條指令。CIP-51工作在系統(tǒng)時(shí)鐘頻率25MHz時(shí)，它的峰值速度達(dá)到25MIPS。

3.3語(yǔ)音錄放電路硬件設(shè)計(jì)

將語(yǔ)音信號(hào)通過(guò)采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字，存儲(chǔ)在IC的ROM中，再通過(guò)電路將ROM中的數(shù)字還原成語(yǔ)音信號(hào)。普通語(yǔ)音芯片放音功能實(shí)質(zhì)上是一個(gè)DAC過(guò)程，而ADC過(guò)程資料是由電腦完成，其中包括對(duì)語(yǔ)音信號(hào)的采樣、壓縮、EQ等處理。語(yǔ)音電路采用ISD2560語(yǔ)音芯片，通過(guò)單片機(jī)控制其功能引腳CE、PD和P／R，實(shí)現(xiàn)對(duì)麥克風(fēng)采集的音頻信號(hào)的錄入及處理，然后輸出信號(hào)至Si4721收發(fā)器。同時(shí)訪問(wèn)地址線，可以存儲(chǔ)多段錄音。圖4是語(yǔ)音電路原理。

單片語(yǔ)音錄放集成電路ISD2560，可實(shí)現(xiàn)多段信息處理的多功能語(yǔ)音錄放，可存儲(chǔ)語(yǔ)音信號(hào)段數(shù)為600段，每段可錄音時(shí)間為60s，能重復(fù)錄放達(dá)10萬(wàn)次。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，省去了A／D、D／A轉(zhuǎn)換器。每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)單個(gè)EEPROM單元中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。

3.4射頻功率放大電路硬件設(shè)計(jì)

射頻功率放大采用的是50～850MHz的功放芯片SBB-2089，其實(shí)功率增益可達(dá)20dB，目前收發(fā)距離可達(dá)150m左右，比較適于交通狀況提示所用。在無(wú)委會(huì)允許情況下，也可進(jìn)一步擴(kuò)大接收距離。功率放大電路如圖5所示。

4系統(tǒng)軟件流程

由于系統(tǒng)默認(rèn)為接收狀態(tài)，所以接收程序中只需直接POWERUP，它對(duì)應(yīng)的命令為0x01；若需轉(zhuǎn)入發(fā)射狀態(tài)，則需先切換到POWERDOWN狀態(tài)，再重新POWERUP。Si472x收發(fā)程序流程如圖6所示，系統(tǒng)程序流程如圖7所示。

5系統(tǒng)性能測(cè)試、評(píng)價(jià)與展望

5.1測(cè)試環(huán)境

測(cè)試時(shí)采用兩套裝置，12V鎳錳電池供電。一套用于發(fā)射，另一套用于接收。在校園較空曠的林蔭道上測(cè)試距離達(dá)150m以上，語(yǔ)音清晰，且傳輸距離可調(diào)。

5.2性能測(cè)試及評(píng)價(jià)

經(jīng)測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)功能完整，傳輸距離和語(yǔ)音質(zhì)量等各項(xiàng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。以下是詳細(xì)測(cè)試情況：

①可準(zhǔn)確接收周邊150m以上車(chē)輛告警信號(hào)；

②接收到的語(yǔ)音信號(hào)清晰悅耳；

③可實(shí)時(shí)錄入阻塞道路名稱(chēng)或維修道路名稱(chēng)，然后發(fā)送出去；

④按鍵延時(shí)檢測(cè)確認(rèn)發(fā)送功能，有效避免誤發(fā)送；

⑤可實(shí)現(xiàn)多段語(yǔ)音錄放管理；

⑥緊急情況可實(shí)時(shí)直接對(duì)外喊話；

⑦可根據(jù)需要自動(dòng)開(kāi)啟車(chē)內(nèi)危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈；

⑧便捷的交互接口，液晶顯示操作提示，使得操作更加方便。

目前所用發(fā)射端功放為小功率功放，如加大功放，發(fā)射傳輸距離可達(dá)500m或者更遠(yuǎn)。

結(jié)語(yǔ)

此技術(shù)除了用于道路交通狀況提示以外，只要加以修改加工還可用于其他用途，如對(duì)講機(jī)、門(mén)鈴、遙控器等。本技術(shù)可應(yīng)用面廣，在本產(chǎn)品中還未能體現(xiàn)其所有功能，我們今后的發(fā)展方向，爭(zhēng)取將此產(chǎn)品更加完善。

關(guān)于SiliconLab公司簡(jiǎn)介

SiliconLaboratories公司（納斯達(dá)克股票代碼：3048）是一個(gè)行業(yè)的創(chuàng)新，高性能模擬密集型混合信號(hào)集成電路?；旌闲盘?hào)集成電路的模擬使我們生活的世界互動(dòng)與數(shù)碼世界的計(jì)算在客戶(hù)產(chǎn)品，如機(jī)頂盒，電視機(jī)，和手機(jī)。發(fā)達(dá)國(guó)家的世界一流的工程團(tuán)隊(duì)，SiliconLabs的不同組合的高度集成，易于使用的解決方案的設(shè)計(jì)的CMOS，廣泛地提供工藝技術(shù)，使重大的一體化優(yōu)勢(shì)而不犧牲性能?？偛吭O(shè)在德克薩斯州奧斯汀市，SiliconLabs公司是一家性企業(yè)，經(jīng)營(yíng)，銷(xiāo)售和設(shè)