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USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線(xiàn)，是一種新型的數據通信技術(shù)。當采用USB接口連接設備與計算機時(shí)，無(wú)需重新設置系統，也不必打開(kāi)機殼來(lái)調整接口卡的指撥開(kāi)關(guān)，計算機會(huì )自動(dòng)識別接口設備，同時(shí)下傳給外設的驅動(dòng)程序。USB接口具有即插即用、速度快、易擴展等優(yōu)點(diǎn)，已成為現今個(gè)人計算機上最重要的接口之一，更是一般消費性電子產(chǎn)品上不可或缺的接口。 短距離無(wú)線(xiàn)通信具有抗干擾能力強、可靠性高、安全性好、受地理條件限制較少、安裝施工簡(jiǎn)便靈活等特點(diǎn)，應用非常廣泛，如汽車(chē)遙控門(mén)鑰、無(wú)線(xiàn)抄表、無(wú)線(xiàn)點(diǎn)菜、遙控遙測、小區自動(dòng)化等。 多媒體的成熟大大推動(dòng)了上述兩項技術(shù)的融合。特別對于音頻信號，USB聲卡相比機箱內的板載聲卡來(lái)說(shuō)，遠離高頻干擾環(huán)境，音質(zhì)效果好，且易于攜帶；但是由于受到音頻接口線(xiàn)的影響，局限在一定的范圍內，且無(wú)法同時(shí)與多人分享，而短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有受地理條件限制小、可靠性高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。 結合兩者技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，本設計利用TI公司的 PCM2702來(lái)實(shí)現USB音頻信號的采集，利用Rohm公司的BH1417來(lái)實(shí)現音頻信號的立體聲無(wú)線(xiàn)傳輸�？赏ㄟ^(guò)單片機同步顯示頻率，并控制 80～180 MHz 14段頻率的切換，可實(shí)現10～100 m內的高速音頻信號傳輸。 1 主要芯片介紹 1.1 PCM2702芯片 數／模轉換芯片PCM2702有2個(gè)數／模轉換輸出通道和1個(gè)一體化的USB接口控制器，該接口符合USB1.0標準；采用最新開(kāi)發(fā)的SPAct(采樣期內自適應控制跟蹤)系統，能夠從USB接口的音頻數據中分離出一個(gè)穩定的、偏差較小的時(shí)鐘信號以協(xié)調PLL和DAC 工作。 PCM2702主要由3部分組成：Burr-Brown公司研制的增強型多層次δ-σ調制器，8×重復采樣數字插值濾波器和模擬輸出低通濾波器。PCM2702可以接收48 kHz、44 kHz和32 kHz的16位立體聲或單聲道音頻數據；內部集成有數字電位器的軟件靜音功能，通過(guò)USB的音頻等級需求可以控制電位器和靜音功能。 1.2 BH1417芯片 BH1417是一款集立體聲FM、頻率合成和RF放大器等功能于一體的大規模專(zhuān)用調頻發(fā)射集成電路。它可工作于 87～108 MHz頻段，與簡(jiǎn)單的外圍電路配合使用，可發(fā)射音頻FM信號，配合普通的調頻立體聲接收機就可實(shí)現無(wú)線(xiàn)調頻立體聲傳輸。FM立體聲發(fā)射器發(fā)射出的立體聲的信號分離度可達50 dB，失真小于0.3％，而且電路的穩定性大大加強。單單就收發(fā)效果而言，已基本接近正規的FM電臺。 BHl417 由5部分組成：音頻預處理電路(加重、限幅和低通濾波)；基頻產(chǎn)生電路(晶振、分頻)；鎖相環(huán)電路(相位檢測、鎖頻)；頻率設定電路(高低電平轉換)；調頻發(fā)射電路。外圍電路主要有頻率控制電路、壓控振蕩器組成的載波產(chǎn)生電路，定時(shí)器以及一些耦合電容。 BH1417將預加重電路、限幅電路、低通濾波電路(LPF)一體化，使音頻信號的質(zhì)量比分立元件(如BA1404、NJM2035等)的電路有很大改進(jìn)；采用鎖相環(huán)鎖頻，并與調頻發(fā)射電路一體化，使得發(fā)射的頻率非常穩定；采用4路高低電平進(jìn)行頻率設定，可設定14個(gè)頻點(diǎn)，使用非常方便。 2 硬件電路設計 USB 音頻發(fā)射系統原理框圖如圖1所示。該系統主要由USB聲卡模塊、無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊、單片機控制模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、頻率顯示模塊和電源模塊等構成。 
當USB聲卡模塊和計算機連接后，計算機自動(dòng)識別，并輸出立體聲音頻信號；音頻信號傳送至無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊，經(jīng)過(guò)處理后，變換成調頻電波發(fā)射出去。同時(shí)，單片機系統會(huì )控制調頻發(fā)射模塊的D0～D3四個(gè)引腳的高低電平，從而控制發(fā)射頻率，同步將發(fā)射頻率顯示出來(lái)。 2.1 USB聲卡模塊 如圖2所示，USB聲卡模塊主要由帶有USB接口的16位立體聲數／模轉換芯片PCM2702和音頻運算放大器OPA2134組成。PCM2702外圍電路比較簡(jiǎn)單，由數／模雙電源供電，在數模信號接地時(shí)采用磁珠或0 Ω電阻進(jìn)行隔離，有效降低數模信號之間的干擾。在PCM2702模擬輸出端，考慮到信號的驅動(dòng)能力不夠，采用音頻專(zhuān)用運放OPA2134構成一個(gè)多重反饋型低通濾波器，同時(shí)對信號進(jìn)一步放大和還原，輸出的音頻信號直接供無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊使用�？紤]到整體音質(zhì)的效果，電路中與音頻信號相關(guān)的電容盡量選擇優(yōu)質(zhì)電容。
2.2 無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊 如圖3所示，無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊主要由大規模專(zhuān)用的調頻發(fā)射集成電路BH1417及簡(jiǎn)單外圍電路構成。
(1)立體聲調制電路 音頻信號通過(guò)1腳、22腳輸入后，由BH1417的 21、20、19、2、3、4腳和外電路配合通過(guò)預加重電路、限幅電路和低通濾波器后送到混合器中。由13腳、14腳輸入的接入7.6 MHz晶振的振蕩電路，通過(guò)200分頻產(chǎn)生38 kHz的副載波信號。38 kHz副載波通過(guò)2分頻后產(chǎn)生19 kHz的導頻信號，左聲道減去右聲道的信號與38 kHz的副載波進(jìn)行平衡調制，調制后的復合信號通過(guò)5腳輸出。 (2)調頻發(fā)射電路 調頻發(fā)射電路采用頻率穩定的鎖相環(huán)系統。BH1417的15、16、17、18腳輸入的頻率代碼經(jīng)過(guò)解碼和鑒相后，由7腳輸出LC振蕩器的控制信號VCO。此VCO控制外部分立元件組成的高頻振蕩電路產(chǎn)生FM調頻的載波信號，并通過(guò)2個(gè)三極管C9018對5腳輸出的復合立體聲信號進(jìn)行FM頻率調制。調制后的信號通過(guò)9腳輸入到BH1417，經(jīng)過(guò)內部的射頻放大器放大后的射頻信號由11腳輸出。輸出后的信號可以直接接到發(fā)射天線(xiàn)上進(jìn)行發(fā)射。BH1417頻點(diǎn)發(fā)射對應的高低電平如表1所列。
(3)高頻振蕩電路 BH1417的5、7、9、10、12引腳配合與其連接的分立元件，構成調頻載波的頻率振蕩和射頻調制部分；13、14腳需要外接7.6 MHz的晶體振蕩器，提供給BH1417內部的鑒相、立體聲信號調制等部分所需要的穩定時(shí)鐘；6、8為電源部分；11腳與外部連接的元件構成調頻信號發(fā)射部分。 (4)三極管放大電路 BH1417的11腳信號輸出后，采用9018來(lái)一級放大。 2.3單片機控制和頻率顯示模塊 單片機控制和頻率顯示電路如圖4所示，主要由AT89C51、鍵盤(pán)輸入和液晶顯示模塊組成。單片機P2口的4個(gè)引腳分別連接BH1417的15、16、17、18引腳，通過(guò)鍵盤(pán)控制其高低電平，進(jìn)而控制BH1417的頻率輸出，同時(shí)將頻率顯示到1602液晶上。
2.4 電源模塊 電源模塊電路如圖5所示。12 V直流輸入經(jīng)過(guò)LM78L05ACH穩壓管，5 V輸出。電源部分主要為USB聲卡模擬輸出、音頻放大、無(wú)線(xiàn)發(fā)射以及單片機控制和頻率顯示部分提供電源。為了減少無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊對單片機控制和頻率顯示模塊的干擾，可在電源和接地之間加入磁珠或0 Ω電阻。
3 軟件程序設計 系統軟件流程如圖6所示。系統上電后，單片機系統初始化，P2的4個(gè)端口都為低，設定為87.7 MHz發(fā)射，同時(shí)在1602上顯示頻率。而后進(jìn)入鍵盤(pán)循環(huán)掃描狀態(tài)，當檢測到鍵盤(pán)按下時(shí)判斷鍵值，根據鍵值調整P2四個(gè)端口的電平高低，進(jìn)而控制 BH1417的發(fā)射頻率，然后顯示頻率。本系統的工作頻率分為14個(gè)頻段，詳見(jiàn)表1。判斷鍵值來(lái)增加／減少頻率。當頻率達到88.9 MHz或106.7 MHz時(shí)，跳過(guò)PLL停止檔位。
4 系統制作、調試及抗干擾措施 在系統的焊接中要注意貼片的焊接，防止人體和烙鐵的靜電把芯片損壞。由于本系統是信號的傳輸，所以在通用板上布局時(shí)要盡量減少信號線(xiàn)的長(cháng)度，濾波電容盡量離輸出元器件近，以免產(chǎn)生多余的雜波。 系統調試過(guò)程中，由于本系統中有數字電路、模擬低頻和模擬高頻電路，注意相關(guān)電源的正確連接，以免引起電路的異常和干擾，且電源間要加去耦電路。 先調試USB聲卡模塊。根據PCM2702的資料，USB上電的時(shí)間要短，才能確保電腦正確地找到設備，并安裝好。然后，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊的調試。由于實(shí)驗室沒(méi)有測頻儀器，只好直接用精確度高的收音機直接接收測試。測試時(shí)，先將4個(gè)控制引腳用跳線(xiàn)接地，確保能夠發(fā)射出無(wú)線(xiàn)信號后，再進(jìn)行頻率的校正和單片機控制顯示等。 該系統對于抗干擾性有一定的要求，所以在電源模塊中分別給出了數字、模擬低頻、模擬高頻的電源端口，加入磁珠和0 Ω電阻以減少相互之間的干擾。電路設計時(shí)，各個(gè)模塊獨立成塊，四周接地以減少電磁干擾等；且各個(gè)模塊中添加了必要的保護電路，確保電路的穩定性、可靠性。 結語(yǔ) 基于PCM2702與BH1417的USB音頻發(fā)射系統采用模塊化的設計方法，使得整個(gè)系統具有一定的擴展性且可以分開(kāi)獨立使用。盡管也有USB聲卡和2.4 GHz構成的無(wú)限USB聲卡方案，但是由于其頻率不可變且需要配套的接收設備，無(wú)法做到與多人分享且保密性不強。使用調頻發(fā)射，可以利用現成的收音機接收，頻率可調可以加強安全性。 參考文獻 1. 任暉.基于USB的通用無(wú)線(xiàn)傳輸接口設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2006(2). 2. 朱曉章.低功耗高集成度高保真度USB聲卡的設計與制作[J].實(shí)驗科學(xué)與技術(shù),2005,3(z1). 3. 孫加存,王鵬.一種實(shí)用的調頻發(fā)射電路設計[J].蘇州市職業(yè)大學(xué)學(xué)報,2008,19(3). 4. 鈴木憲次.高頻電路設計和制作[M].北京:科學(xué)出版社,2003. 5. 馬忠梅,籍順心,張凱,等.單片機的C語(yǔ)言應用程序設計[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007:2-7. 作者：李晨霞(上海理工大學(xué)) 劉峰偉,康娟(中國計量學(xué)院) 來(lái)源：《單片機與嵌入式系統應用》 2009（10） |
