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1、 单工无线呼叫系统 山东理工大学 祝成东 陈方瑞 王福军摘要本系统采用调频方式实现了主站至从站的单工语音及数据传输业务。发射机以单片机SPCE061A 为核心，采用MC145151 锁相环完成FM 调制等功能；接收机采用CXA1691 完成FM 解调功能；引入双音频编解码完成数据传输；利用市售红外遥控器实现了发射机英文字符的输入。关键词：SPCE061A；MC145151锁相环；双音频。一、方案论证与比较1.1 调制方式选择方案选择 方案一：采用调幅方式（AM），发端用音频调制载波，载波的包络即变为音频信号，收端利用包络检波技术恢复音频信号，若调制信号变为数字基带信号，则称为振幅键控（ASK）
2、。其特点是调制后的载波占有带宽小，缺点是抗干扰能力较差。方案二：采用调频方式（FM），发端用音频调制载波，载波的频率会随着调制信号的幅度变化而变化，收端利用鉴频器将调制信号恢复，对应的数字调制方式为频移键控（FSK）。其特点是占有带宽宽，但抗干扰能力明显优于AM 方式。综上，题目要求载频在30MHz40MHz 之间，可用AM 方式，亦可用FM 方式，考虑到要保证发挥第2项短信功能的正确性，系统必须有良好的抗干扰性，因此本系统采用FM 方式实现。 1.2 编码方案选择方案一：采用常规的数字调制。所有的控制指令（单呼、群呼等）和英文短信的编码均为数字基带信号，将此基带信号稍做平滑后直接对载波进行调
3、制，即FSK 调制；收端解调后经整形恢复为数字基带信号，再做进一步处理。若采用此方案，必须在发端插入相应的帧同步字，发端进行相应的帧同步提取，才能保证数据传输的正确性和可靠性。方案二：发端预先利用双音频编码器将欲传输的数据变为相应的双音频信号，然后进行调制，接收端经FM 解调后的双音频信号，经双音频译码器翻译成相应的数字信号，送给CPU 处理，从而实现相应的功能。鉴于上面分析，第一种方案传输可靠，但实现难度较大。第二种方案较容易实现，但每次只能传送四位二进制数，本系统采用两次传送一个英文字符的方法实现。1.3 发射机方案选择方案一：采用专用的调频发射芯片，如BA1404 等，借助于外围的LC
4、振荡回路来改变载波频率，从而实现调频。方案二：采用MC145151 锁相环集成电路，配合单管型压控振荡器实现，采用拨码开关控制MC145151的数据输入脚，从而控制VCO 输出不同频率的载波，调试时只需把频率控制在30MHz40MHz 之间即可。为了保证发射机发射载频的稳定度，同时也为了保证整个系统的稳定性，本系统采用方案二。1.4 接收机的方案选择方案一：采用MC3362/MC3363 等窄带调频接收专用芯片，该系列芯片接收信号的频偏典型值为3KHz，鉴频器的灵敏度较高，但解调后音质不如调频广播的音质好。方案二：采用常规的调频广播收音机接收芯片（如CXA1691），调整本振频率，使得接收频率
5、范围落在30MHz40MHz 之间。调频广播的典型频偏为75KHz，音质动态范围好。因为本系统采用双音频编码方案传输数据信号，所以一定要保证音频信号传输的不失真。本系统选用方案二。二、详细软硬件分析2.1 发射机设计：图2.1 发射机框图发射机框图如图 2.1，由主控单片机SPCE061A、锁相环频率合成器MC145151、高频功放、双音频编码器、红外遥控及其接收电路、液晶显示模块、话筒放大电路等模块组成。2.2 接收机设计 图2.2 接收机框图接收机方框图如图2.2，由主控单片机、调频接收芯片（CXA1691）及其外围电路、双音频译码电路、音频功放、液晶显示终端等模块构成。接收机采用四节1.
6、5V 电池串联供电。2.3 总机硬件连接图2.3.1 主机部分2.3.1.1 主站控制单片机小系统电路 该小系统以SPCE061A 单片机为核心。外围电路包括：44 键盘，如图 2.3 所示，题目中发挥部分第1 项群呼、单呼等命令以及09 十个数字的输入由该键盘来完成；RT12864 点阵液晶构成人机接口，可显示英文、汉字、图标、图形等，并具有背光支持，以构成友好人机界面，来显示各种数据及接收到的短信，J3 为液晶屏接口；红外键盘，本系统中红外键盘采用的是RM-200E 万能电视遥控器，它的功能是输入26 个英文字母和10 个数字，按顺序分别是发送键、删除键、A、B、C、D、E、F，同时A、B
7、、C、D、E、F又是可以通过44 键盘上的“切换2”转为输入0 到9 的数字；红外接收头（J7），接收来自红外遥控器的数据（写短信）送入单片机处理并在液晶屏上显示。调节RP1可以改变液晶显示的对比度。图2.3 44键盘2.3.1.2 DTMF 双音频编码器DTMF 双音频编码器是用频率合成的方法来产生DTMF 信号的，它的基准时基采用晶体振荡器， IOB0IOB7 为单片机送来的控制信号，HM9187 输出的双音频组合共有16 种情况，因此单片机送来的控制的信号亦共有16 种情况，系统则利用这16 状态来完成指令和短信的发送过程。原理如下：SPCE061 A 单片机先将要发送的四位二进制码（共
8、有16 种状态）经相应转换，变为对HM9187 的控制码，双音频编码器将数字信号转换为两个频率的音频信号送至锁相环进行FM 调制，由天线发出，接收机经FM 解调后，恢复出双音频信号，通过双音频译码器得到原有的数字信号送单片机处理。英文字符共有26 个加上09 十个数字以及相应的控制指令，16 种状态是远远不够的，我们利用合理的编码方案解决了这一问题，这部分内容将在系统软件介绍中详细叙述。2.3.1.4 锁相频率合成器为了保证发射频率的稳定，系统采用锁相环电路来产生35.328MHz 的载频。锁相频率合成器原理图如图 6.7。（注意图中的“TO RF MUL”指的是接到RF 的放大模块）Q1、C
9、2、D1、D2、L2 等构成压控振荡器，当C2 左端的直流电平发生变化，变容二极管D1、D2 的容值发生变化，振荡器中心频率发生变化；U2 及其外围元件构成了二阶有源环路滤波器，该电路的性能直接影响到环路是否能够入锁；因为MC145151 最高工作频率为30MHz，不能满足题目要求，所以我们在电路中加入了前置分频器对RF 反馈信号进行16 分频后再送入锁相环芯片U1（MC145151），U1 内部集成了参考分频器和可编程分频器，其参考频率由晶振Y 振荡分频后产生，外部输入从其1 脚输入，通过改变拨码开关S1 的状态从而改变N0N13 的值使得可编程分频器的数值发生变化，从而改变环路的锁定频率。
10、晶振选用4.096MHz，取fvco =35.328MHz，P=16，晶振频率4.096 MHz，R 计数器取2048 次分频，于是：N 的取值1104，N13 至N0 为（00010001010000）。R 计数器，N 计数器，各管脚接地为逻辑0，悬空为逻辑1。2.3.1.4 话筒放大电路由于MIC 出来的幅度不够，不足以使振荡电路产生足够大的频偏，所以我们用NE5532 运放做为前置放大器，放大倍数为10 倍，实测效果良好，放大器电路图如图：2.3.1.5 高频功率放大电路由于PLL 振荡器出来的幅度达不到要求，而且带负载能力不强，所以我们在后面加上高频功率放大器和一级射随器，增加频率的稳
11、定度和提高输出功率。原理图如图：2.3.2 从机部分电路设计2.3.2.1 调频接收电路模块采用索尼公司的收音机专用芯片CXA1691 作高保真宽频接收机，采用双调谐回路增强接收机的选择性，芯片4 脚为直流音量控制端，通过调节该电位器改变其双音频信号输出电压的幅值。OUT1 为输出双音频信号，送至MT8870，OUT2 为音频输出信号，经控制开关后直接驱动耳机。2.3.2.2 从站控制单片机小系统从站仍以SPCE061A 单片机为控制核心器件，利用3 位拨码开关实现对从站号码的任意设置。使用RT12864 点阵液晶构成人机接口界面，收到短信或被呼叫均在液晶屏上显示。电路原理如图所示，图中J12
12、 为双音频解码后的四位二进码元输入端，J6 为RT12864 点阵液晶屏接口。蜂鸣器用来产生收到短信号的提示音。SPCE061A 单片机IOB7 口用来控制继电器，从而控制耳机的通断，耳机平时处于断开状态，当从站被呼叫时，单片机发出指令接通扬声器。实现主站对从站的呼叫。2.3.2.3 MT8870 双音频信号译码模块的电路如图所示，将从高保真调频接收机接收到的DTMF 信号进行解码。由于MT8870 的编码方式和HM9187 的编码方式完全一致，所以用MT8870 配合编码部分使得系统的整和性很强，软件编程变得更加的简单。24 软件设计：本设计的软件设计在整个控制流程中采用2 片SPCE061
13、A 作为主控芯片，主机中运用一片单片机进行编码和控制人机交流界面，可以设置成拨号选呼和群呼功能；从机中采用单片机进行解码和控制外部输出设备，在接收到控制字后接通耳机和接收英文短信功能。2.4.1 主机软件设计上电时，主机初始化成群呼数据发送状态，等待输入从机的地址，选通以后自动切换到语音发送状态，当要发送短信时，从遥控器上输入待发送的字符并在显示屏上显示出来，当按下发送键后把编码好的短信数据逐一发送出去。主机软件设计流程图如下：2.4.2 从机软件设计上电时从机初始化成待机状态，等待本机地址的输入，如果接收到的地址跟本机地址相同或者接收到的是群呼地址则转换到工作状态，打开指示灯和后级输出，当接
14、收到结束码时，关闭指示灯和后级输出。从机程序流程图如图所示：2.4.3 编、解码数据结构说明由于双音频只有16 种编码方式，远远满足不了发送英文字母和控制指令的要求，因此采用一定的编码方式，在发送过程中采用两次发送作为一个字符或指令的编码，先发送高4 位然后再发送低4 位。在接收端将两次接收到的数据拼成一个完整的码，再根据编码显示相应的数据或执行相应的指令。数据信令帧结构如下：接收端接收到连续的两个4 位数据后如果第一位为1 的则认为后面的3 位数据为高位数据，如果第一位为0 则认为后面的3 位数据为低位数据，那么整个系统的编码容量为26 个。从而满足了编制英文字母和控制指令的个数，保证了在整
15、个通讯中不会冲突。三、系统调试3.1 发射频率及发射功率的测量去掉天线，在天线输出端接上50 欧姆负载电阻到地，用示波器观察负载电阻上的波形，频率计测得频率为35.328M，VPP=1.51V，合题目要求。3.2 通话距离的测量主机和从机均接上天线，并调谐到相同频率，接上MP3 做为音源，逐步拉开主从机间的距离，当从机收到的信号不是很清晰时，测量主从机之间的距离，此即为最大通信距离，实测为大于35m。3.3 去掉收、发天线，用一个功率衰减20dB 的衰减器连接主、从站天线端子，用信号发生器产生的200Hz 至4000Hz 的正弦波作为调制信号，通过示波器观察从站耳机两端的接收波形，无失真。3.
16、4 主从机间的通信在主机上选择好要开通的从机，输入地址码，通过DTMF 和FM 调制后发射出去，跟设定地址相同的从机接收到地址后打开后级音频输出，并要求能清晰接收主机发来的音乐信号。当在主机上输入结束码时能断开从机的耳机，说明主从机间通信正常。15m 距离通信正常。3.6 测试仪器数英TFG2300 信号发生器绿扬 LY2510 频率计岩崎7840 双踪示波器数英SS2323 可跟踪双路直流稳压电源五、 结论经过多天的辛勤努力，我们实现了题目的全部要求，在某些方面系统性能还超过了题目的要求，但由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方，比如电路布局、和抗干扰方面还有很大的提升空间，经过
17、改进，相信性能还会有进一步的提升。本次培训极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。六、 参考文献1彭宣戈等。16位单片机原理及应用。北京：北京航空航天出版社，20062钱振宇等。开关电源的电磁兼容性。北京：电子工业出版社，20053马忠梅等。单片机的C语言应用程序。北京：北京航空航天出版社，2007七、 附件71附件一：单片机及外围电路的方案选择711 单片机供电的方案选择方案一：用集成三端稳压器来供电。由于Uin端输出的电压不高，变化范围不大，且单片机系统只需5V供电，采用7812，7805两级降压来供
18、电。方案二：采用高效率的DC-DC芯片38438，输入允许范围大，效率比较高，输出电压为+5V,输出电流可达600mA,驱动能力强。但很不经济。综合考虑方案一已经符合要求，本设计采用了方案。7.1.2显示模块的方案选择方案一：采用位带小数点的SMS0801B显示。此LCD显示是段码型的，功耗小，且为串行操作，但本设计要显示的数字比较多，SMS0801B不能满足要求。方案二：采用LCD液晶显示器显示采用 12864 点阵 LCD 液晶显示，可视面积大，画面效果好，抗干扰能力强，调用方便简单，而且可以节省了软件中断资源。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构
19、或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。鉴于上面分析，本设计采用方案二。71.3 键盘模块的方案选择 方案一：采用集成芯片8279控制键盘，单片机资源占用少，响应稳定，这样单片机可以很方便的控制，但功耗高，本设计只需要3个键盘就可以满足要求，故不采用这种方案。方案二：按键直接接在I/O口上，编程简单，应用方便，且满足要求，在没有键按下时根本没有任何功耗。鉴于上面分析，本设计采用方案二。72 附录二：主要元器件清单61板组件3CXA1691DIP281CXA1191DIP281HM9187DIP161MT8870DIP182NE5532DIP162MC145151D
20、IP281LM358DIP81MB15011MC16481MC1451521CD222041HT9200B2双连可变电容270p1带开关电位器50K17.3 附件三：核心原理图与版图图1 CAX1691接收机PCB版图 图2. 双音频译码电路7.5 附件五：重要源程序#include Global.h#include IO.h#include AD9858.hvoid SetClock(unsigned int fosc,unsigned int DivRiteForCUP);void System_Init();unsigned int gFlag;System_Init();_asm(ir
21、q on); /开中断while(1)*P_Watchdog_Clear = 0x0001;void System_Init() /初始化系统时钟和时基SetClock(49,1);*P_TimeBase_Setup=C_TMB1_8Hz; /初始化IOSET_PORTA_OUT(0xFFF0);SET_PORTB_OUT(BIT10);SET_PORTB_IN(BIT7);SET_PORTA(0x10);SET_PORTB(0x0000); /初始化中断；初始化全局变量gFlag = 0; /初始化人机接口设备；初始化其他外设SetLMX2316();void SetClock(unsign
22、ed int fosc,unsigned int DivRiteForCUP) unsigned int osc,div; switch(fosc) case 24:osc=0x0000;break;case 20:osc=0x0020;break; case 32:osc=0x0040;break; case 40:osc=0x0060;break; case 49:osc=0x0080;break; switch( DivRiteForCUP) case 1:div=0x0008;break; case 2:div=0x0009;break; case 4:div=0x000A;break; case 8:div=0x000B;break; case 16:div=0x000C;break; case 32:div=0x000D;break; case 64:div=0x000E;break; osc|=div; *P_SystemClock=osc;