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引言 本交通狀況提示裝置采用調頻收發(fā)技術，可實現(xiàn)在道路發(fā)生交通事故、道路阻塞或能見度低的雨霧天氣等情況下，向周圍車輛發(fā)送提醒信號，并自動開啟車內危險報警閃光燈，提醒后方來車，同時，在高峰易賽車路段，可向周圍車輛及時傳達路況信息。本裝置結構簡單，成本低，便于每輛汽車上安裝。 本系統(tǒng)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設計可以無縫支持所有這些產(chǎn)品。與單片機通信時，可使用與I2C兼容的2-Wire、3-Wire及SPI接口方式。Si4721與Si4720 的主要不同點是，Si4721內部有RDS／RBDS處理器，是一款支持歐洲廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)(RDS)和美國無線廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)(RBDS)的單芯片F(xiàn)M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，同時接收到的音頻信號加放大器后，可驅動揚聲器播放。Si472x這款全新的單芯片F(xiàn)M廣播收發(fā)器充分利用了獨特的射頻專業(yè)技術，在集成與性能方面實現(xiàn)了又一次創(chuàng)新。它支持客戶在簡化系統(tǒng)設計、降低產(chǎn)品成本的同時，進一步改善了消費者的聽覺體驗。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)轉換器，這種數(shù)字音頻接口還可降低系統(tǒng)功耗、延長電池的使用時間。另外，Si472x FM收發(fā)器針對便攜式應用進行了優(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)建無線音頻連接的能力。它也是支持調頻廣播收發(fā)一體的可支持小型化天線的系列芯片。由于采用了小型化天線，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，可以省去外置天線帶來的許多不便。 2 道路交通狀況提示裝置工作原理 本裝置主要包含1個核心微控制器、1個單芯片F(xiàn)M收發(fā)器、1個可存儲和可實時錄入多段語音信息的語音電路、功率放大電路及音頻放大電路。系統(tǒng)總體設計框圖如圖2所示。
系統(tǒng)以Silicon Labs公司的C8051F310為控制核心。單芯片F(xiàn)M收發(fā)器采用大規(guī)模集成芯片Si4721實現(xiàn)，可通過編程控制使其分別工作在接收或發(fā)射模式。語音模塊采用集成錄放音芯片ISD2560，可實現(xiàn)錄制和存儲針對各種交通狀況的語音提示信息(如車牌號碼、車輛故障停車、道路阻塞或維修等)；同時可切換錄音話筒直接對外喊話(如車輛著火有爆炸危險、車禍后人員被困無法出來等狀況)。該裝置集接收和發(fā)送于一體。默認狀態(tài)處于接收，可接收周圍150 m遠的車輛發(fā)來的語音提示或報警信號，通過揚聲器循環(huán)播放，以便駕駛員作出相應調整。當車輛遇故障拋錨，或碰到能見度低的雨霧天氣時，通過單片機選中語音芯片中事先存儲好的語音信號地址，調出其中存儲的語音內容(例如：“車牌號為xxxxxxx的車輛因故障靠邊停車，后方來車請小心駕駛!”)，然后按下發(fā)送按鍵，向周圍車輛發(fā)送，并自動開啟車內危險報警閃光燈，做到多種方式提醒后方來車小心駕駛。 當遇道路阻塞、道路維修時，按下相應按鈕，打開語音模塊的實時錄入功能，錄入阻塞道路名稱或維修道路名稱等相應信息(例如：“某某路段現(xiàn)處于賽車高峰，請各車輛繞道而行”)，按下發(fā)送按鈕，便可以向周圍車輛發(fā)送該信號，以便其他車輛及時做出擇道選擇。 當遇車輛發(fā)生車禍被困車內等緊急情況，可打開實時喊話功能，通過麥克風輸入電路直接對外進行喊話，然后通過收發(fā)模塊發(fā)射出去，并自動開啟車內危險報警閃光燈。 3 系統(tǒng)硬件設計 3．1 收發(fā)器硬件設計 單芯片F(xiàn)M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I2C總線兼容的2-Wire工作模式與單片機通信。單片機通過指令控制Si4721工作在發(fā)射模式或接收模式，從語音電路輸出的語音信號輸入Si4721，經(jīng)過Si4721內部射頻電路及天線發(fā)射出去。單片機通過發(fā)送接收模式指令使Si4721工作在接收模式。設定相關頻段，從天線接收到的信號經(jīng)過Si4721最終從揚聲器輸出。 3．2 微控制器硬件設計 系統(tǒng)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(tǒng)型MCU芯片，能實現(xiàn)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系統(tǒng)后續(xù)發(fā)展打下基礎，便于系統(tǒng)功能后續(xù)升級及擴展。 C8051F310使用Silicon Labs公司的專利CIP-51微控制器內核，有29個I／O引腳(3個8位口和1個5位口)，端口的工作情況與標準8051相似，但有一些改進。每個端口引腳都可以被配置為模擬輸入或數(shù)字I／O，數(shù)字交叉開關允許將內部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I／O引腳�？赏ㄟ^設置交叉開關控制寄存器將片內的計數(shù)器／定時器、串行總線、硬件中斷、比較器輸出以及微控制器內部的其他數(shù)字信號配置為出現(xiàn)在端口I／O引腳。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應用選擇通用端口 I／O和所需數(shù)字資源的組合。片內Silicon Labs二線(C2)開發(fā)接口允許使用安裝在最終應用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進行非侵入式(不占用片內資源)、全速、在系統(tǒng)調試。 CIP-51采用流水線結構，與標準的8051結構相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個標準的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要 12或24個系統(tǒng)時鐘周期，最大系統(tǒng)時鐘頻率為12～24 MHz。而對于CIP-51內核，70％的指令的執(zhí)行時間為1或2個系統(tǒng)時鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時間大于4個系統(tǒng)時鐘周期。CIP-51共有111 條指令。CIP-51工作在最大系統(tǒng)時鐘頻率25 MHz時，它的峰值速度達到25MIPS。
3．3 語音錄放電路硬件設計 語音電路采用ISD2560語音芯片，通過單片機控制其功能引腳CE、PD和P／R，實現(xiàn)對麥克風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。同時訪問地址線，可以存儲多段錄音。圖4是語音電路原理。 單片語音錄放集成電路ISD2560，可實現(xiàn)多段信息處理的多功能語音錄放，最大可存儲語音信號段數(shù)為600段，每段可錄音時間為60 s，能重復錄放達10萬次。芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術，省去了A／D、D／A轉換器。每個采樣值直接存儲在片內單個EEPROM單元中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、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、內部時鐘、定時器、采樣時鐘、濾波器、自動增益控制、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。在無委會允許情況下，也可進一步擴大接收距離。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(tǒng)程序流程如圖7所示。
5 系統(tǒng)性能測試、評價與展望 5．1 測試環(huán)境 測試時采用兩套裝置，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，語音清晰，且傳輸距離可調(若無委會允許可以做得更遠)。在實際使用中，可用車載點煙器輸出的12 V供電。 5．2 性能測試及評價 經(jīng)測試，整個系統(tǒng)功能完整，傳輸距離和語音質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以上車輛告警信號； ②接收到的語音信號清晰悅耳； ③可實時錄入阻塞道路名稱或維修道路名稱，然后發(fā)送出去； ④按鍵延時檢測確認發(fā)送功能，有效避免誤發(fā)送； ⑤可實現(xiàn)多段語音錄放管理； ⑥緊急情況可實時直接對外喊話； ⑦可根據(jù)需要自動開啟車內危險報警閃光燈； 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 此技術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、門鈴、遙控器等。本技術可應用面廣，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:西安電子科技大學出版社,2002. 2. C8051F310/1/2/3/4/5 8/16 KB ISP FLASH微控制器數(shù)據(jù)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)技術學院 何惠琴 李益民 來源：單片機與嵌入式系統(tǒng) 2009 （10） |
