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引言 本交通狀況提示裝置采用調頻收發(fā)技術(shù)，可實(shí)現在道路發(fā)生交通事故、道路阻塞或能見(jiàn)度低的雨霧天氣等情況下，向周?chē)?chē)輛發(fā)送提醒信號，并自動(dòng)開(kāi)啟車(chē)內危險報警閃光燈，提醒后方來(lái)車(chē)，同時(shí)，在高峰易賽車(chē)路段，可向周?chē)?chē)輛及時(shí)傳達路況信息。本裝置結構簡(jiǎn)單，成本低，便于每輛汽車(chē)上安裝。 本系統主要是針對Silicon Lab公司推出的Si4721系列芯片設計的，對于其他系列的產(chǎn)品稍加改動(dòng)即可，其設計思路基本相同且引腳兼容。 1 Si4721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，支持調頻信號76 MHz～108 MHz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2．7～5．5 V均適用。其設計與Si473x AM／FM廣播接收器、Si470x FM廣播接收器，以及Si471x FM發(fā)射器解決方案相兼容。由于這種兼容性，單一PCB設計可以無(wú)縫支持所有這些產(chǎn)品。與單片機通信時(shí)，可使用與I2C兼容的2-Wire、3-Wire及SPI接口方式。Si4721與Si4720 的主要不同點(diǎn)是，Si4721內部有RDS／RBDS處理器，是一款支持歐洲廣播數據系統(RDS)和美國無(wú)線(xiàn)廣播數據系統(RBDS)的單芯片FM廣播收發(fā)器。 Si472x系列芯片內部集成有功能完備的ADC及DAC部件，外部音頻信號可直接輸入芯片發(fā)射出去，同時(shí)接收到的音頻信號加放大器后，可驅動(dòng)揚聲器播放。Si472x這款全新的單芯片FM廣播收發(fā)器充分利用了獨特的射頻專(zhuān)業(yè)技術(shù)，在集成與性能方面實(shí)現了又一次創(chuàng )新。它支持客戶(hù)在簡(jiǎn)化系統設計、降低產(chǎn)品成本的同時(shí)，進(jìn)一步改善了消費者的聽(tīng)覺(jué)體驗。Si472x支持模擬和數字音頻接口，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據轉換器，這種數字音頻接口還可降低系統功耗、延長(cháng)電池的使用時(shí)間。另外，Si472x FM收發(fā)器針對便攜式應用進(jìn)行了優(yōu)化，具有可接收FM廣播信號，以及從設備至任何FM接收器創(chuàng )建無(wú)線(xiàn)音頻連接的能力。它也是支持調頻廣播收發(fā)一體的可支持小型化天線(xiàn)的系列芯片。由于采用了小型化天線(xiàn)，Si472x系列芯片可以很方便地設置在許多便攜式設備PCB板中，包括有藍牙功能的設備。因為它所占PCB空間極小，可以省去外置天線(xiàn)帶來(lái)的許多不便。 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)核心微控制器、1個(gè)單芯片FM收發(fā)器、1個(gè)可存儲和可實(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。系統總體設計框圖如圖2所示。
系統以Silicon Labs公司的C8051F310為控制核心。單芯片FM收發(fā)器采用大規模集成芯片Si4721實(shí)現，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)現錄制和存儲針對各種交通狀況的語(yǔ)音提示信息(如車(chē)牌號碼、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(huà)筒直接對外喊話(huà)(如車(chē)輛著(zhù)火有爆炸危險、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。默認狀態(tài)處于接收，可接收周?chē)?50 m遠的車(chē)輛發(fā)來(lái)的語(yǔ)音提示或報警信號，通過(guò)揚聲器循環(huán)播放，以便駕駛員作出相應調整。當車(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)單片機選中語(yǔ)音芯片中事先存儲好的語(yǔ)音信號地址，調出其中存儲的語(yǔ)音內容(例如：“車(chē)牌號為xxxxxxx的車(chē)輛因故障靠邊停車(chē)，后方來(lái)車(chē)請小心駕駛!”)，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)內危險報警閃光燈，做到多種方式提醒后方來(lái)車(chē)小心駕駛。 當遇道路阻塞、道路維修時(shí)，按下相應按鈕，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)等相應信息(例如：“某某路段現處于賽車(chē)高峰，請各車(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，以便其他車(chē)輛及時(shí)做出擇道選擇。 當遇車(chē)輛發(fā)生車(chē)禍被困車(chē)內等緊急情況，可打開(kāi)實(shí)時(shí)喊話(huà)功能，通過(guò)麥克風(fēng)輸入電路直接對外進(jìn)行喊話(huà)，然后通過(guò)收發(fā)模塊發(fā)射出去，并自動(dòng)開(kāi)啟車(chē)內危險報警閃光燈。 3 系統硬件設計 3．1 收發(fā)器硬件設計 單芯片FM收發(fā)器采用Si4721芯片，接口電路如圖3所示。芯片工作頻率由外部32．768 kHz晶振提供，分別接入RCLK和DCLK引腳。
Si4721通過(guò)I2C總線(xiàn)兼容的2-Wire工作模式與單片機通信。單片機通過(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)音信號輸入Si4721，經(jīng)過(guò)Si4721內部射頻電路及天線(xiàn)發(fā)射出去。單片機通過(guò)發(fā)送接收模式指令使Si4721工作在接收模式。設定相關(guān)頻段，從天線(xiàn)接收到的信號經(jīng)過(guò)Si4721最終從揚聲器輸出。 3．2 微控制器硬件設計 系統采用單片機C8051F310控制。C8051F31x器件是完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片，能實(shí)現51系列單片機的所有功能，并且速度快、性能好。選用這款功能強大單片機的目的是為了給整個(gè)系統后續發(fā)展打下基礎，便于系統功能后續升級及擴展。 C8051F310使用Silicon Labs公司的專(zhuān)利CIP-51微控制器內核，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準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字I／O，數字交叉開(kāi)關(guān)允許將內部數字系統資源映射到端口I／O引腳�？赏ㄟ^(guò)設置交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器將片內的計數器／定時(shí)器、串行總線(xiàn)、硬件中斷、比較器輸出以及微控制器內部的其他數字信號配置為出現在端口I／O引腳。這一特性允許用戶(hù)根據自己的特定應用選擇通用端口 I／O和所需數字資源的組合。片內Silicon Labs二線(xiàn)(C2)開(kāi)發(fā)接口允許使用安裝在最終應用系統上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內資源)、全速、在系統調試。 CIP-51采用流水線(xiàn)結構，與標準的8051結構相比指令執行速度有很大的提高。在一個(gè)標準的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要 12或24個(gè)系統時(shí)鐘周期，最大系統時(shí)鐘頻率為12～24 MHz。而對于CIP-51內核，70％的指令的執行時(shí)間為1或2個(gè)系統時(shí)鐘周期，只有4條指令的執行時(shí)間大于4個(gè)系統時(shí)鐘周期。CIP-51共有111 條指令。CIP-51工作在最大系統時(shí)鐘頻率25 MHz時(shí)，它的峰值速度達到25MIPS。
3．3 語(yǔ)音錄放電路硬件設計 語(yǔ)音電路采用ISD2560語(yǔ)音芯片，通過(guò)單片機控制其功能引腳CE、PD和P／R，實(shí)現對麥克風(fēng)采集的音頻信號的錄入及處理，然后輸出信號至 Si4721收發(fā)器。同時(shí)訪(fǎng)問(wèn)地址線(xiàn)，可以存儲多段錄音。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)現多段信息處理的多功能語(yǔ)音錄放，最大可存儲語(yǔ)音信號段數為600段，每段可錄音時(shí)間為60 s，能重復錄放達10萬(wàn)次。芯片采用多電平直接模擬量存儲專(zhuān)利技術(shù)，省去了A／D、D／A轉換器。每個(gè)采樣值直接存儲在片內單個(gè)EEPROM單元中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現語(yǔ)音、音樂(lè )、音調和效果聲，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”。ISD2560集成度較高，內部包括前置放大器、內部時(shí)鐘、定時(shí)器、采樣時(shí)鐘、濾波器、自動(dòng)增益控制、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器和480 KB的EPROM等。 3．4 射頻功率放大電路硬件設計 射頻功率放大采用的是50～850 MHz的功放芯片SBB-2089，其實(shí)功率增益可達20 dB，目前收發(fā)距離可達150 m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)一步擴大接收距離。功率放大電路如圖5所示。
4 系統軟件流程 由于系統默認為接收狀態(tài)，所以接收程序中只需直接POWER UP，它對應的命令為0x01；若需轉入發(fā)射狀態(tài)，則需先切換到POWER DOWN狀態(tài)，再重新POWERUP。Si472x收發(fā)程序流程如圖6所示，系統程序流程如圖7所示。
5 系統性能測試、評價(jià)與展望 5．1 測試環(huán)境 測試時(shí)采用兩套裝置，12 V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試距離達 150 m以上，語(yǔ)音清晰，且傳輸距離可調(若無(wú)委會(huì )允許可以做得更遠)。在實(shí)際使用中，可用車(chē)載點(diǎn)煙器輸出的12 V供電。 5．2 性能測試及評價(jià) 經(jīng)測試，整個(gè)系統功能完整，傳輸距離和語(yǔ)音質(zhì)量等各項性能達到設計要求。以下是詳細測試情況： ①可準確接收周邊150 m以上車(chē)輛告警信號； ②接收到的語(yǔ)音信號清晰悅耳； 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)檢測確認發(fā)送功能，有效避免誤發(fā)送； ⑤可實(shí)現多段語(yǔ)音錄放管理； ⑥緊急情況可實(shí)時(shí)直接對外喊話(huà)； ⑦可根據需要自動(dòng)開(kāi)啟車(chē)內危險報警閃光燈； 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500 m或者更遠。 結語(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，如對講機、門(mén)鈴、遙控器等。本技術(shù)可應用面廣，在本產(chǎn)品中還未能體現其所有功能，我們今后的發(fā)展方向，爭取將此產(chǎn)品更加完善。 參考文獻 1. 劉守義.單片機原理及應用[M].2版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002. 2. C8051F310/1/2/3/4/5 8/16 KB ISP FLASH微控制器數據手冊[DB/OL].潘琢金,譯.http://share.dzkf.cn/down/2008/0427 /file_2301.html. 3. Silicon Labs Si472x FM TRANSCEIVER PROGRAMMING GUIDE(AN319)[DB/OL].https://www.silabs.com/Pages/default.aspx. 4. SBB-2089(Z)_Datasheet[OL].www.sirenza.com. 作者：深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 何惠琴 李益民 來(lái)源：?jiǎn)纹瑱C與嵌入式系統 2009 （10） |
