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)用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線抄表、門禁系統(tǒng)、小區(qū)傳呼、工業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線標(biāo)簽、身份識別、非接觸RF智能卡、小型無線數(shù)據(jù)終端、安全防火系統(tǒng)、無線遙控系統(tǒng)、生物信號采集、水文氣象監(jiān)控、機(jī)器人控制、無線232數(shù)據(jù)通信、無線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431MHz to 478MHz，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Silicon Lab公司推出的Si4721系列芯片設(shè)計(jì)的，對于其他系列的產(chǎn)品稍加改動(dòng)即可。

　　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(diào)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)可以無縫支持所有這些產(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(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。它支持客戶在簡化系統(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)者的聽覺體驗(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、延長電池的使用時(shí)間。另外，Si472x FM收發(fā)器針對便攜式應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具有可接收FM廣播信號，以及從設(shè)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(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(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

　　系統(tǒng)以Silicon Labs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(shí)現(xiàn)錄制和存儲(chǔ)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(shí)可切換錄音話筒直接對外喊話（如車輛著火有爆炸危險(xiǎn)、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(rèn)狀態(tài)處于接收，可接收周圍150 m遠(yuǎn)的車輛發(fā)來的語音提示或報(bào)警信號，通過揚(yáng)聲器循環(huán)播放，以便駕駛員作出相應(yīng)調(diào)整。當(dāng)車輛遇故障拋錨，或碰到能見度低的雨霧天氣時(shí)，通過單片機(jī)選中語音芯片中事先存儲(chǔ)好的語音信號地址，調(diào)出其中存儲(chǔ)的語音內(nèi)容，然后按下發(fā)送按鍵，向周圍車輛發(fā)送，并自動(dòng)開啟車內(nèi)危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈，做到多種方式提醒后方來車小心駕駛。

　　當(dāng)遇道路阻塞、道路維修時(shí)，按下相應(yīng)按鈕，打開語音模塊的實(shí)時(shí)錄入功能，錄入阻塞道路名稱或維修道路名稱等相應(yīng)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(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(nèi)部射頻電路及天線發(fā)射出去。單片機(jī)通過發(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20多年的發(fā)展，其成本越來越低，而性能越來越強(qiáng)大，這使其應(yīng)用已經(jīng)無處不在，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)類電子、游戲設(shè)備、電話、HVAC、樓宇安全與門禁控制、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（Microcontroller Unit，即MCU）可從不同方面進(jìn)行分類：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Von Neumann結(jié)構(gòu)；根據(jù)內(nèi)嵌程序存儲(chǔ)器的類別可分為OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和閃存Flash；根據(jù)指令結(jié)構(gòu)又可分為CISC（Complex Instruction Set Computer）和RISC（Reduced Instruction Set Computer）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)升級及擴(kuò)展。

　　C8051F310使用Silicon Labs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^設(shè)置交叉開關(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12～24 MHz。而對于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25 MHz時(shí)，它的峰值速度達(dá)到25MIPS。

　　3.3 語音錄放電路硬件設(shè)計(jì)

　　將語音信號通過采樣轉(zhuǎn)化為數(shù)字，存儲(chǔ)在IC的ROM中，再通過電路將ROM中的數(shù)字還原成語音信號。 　　普通語音芯片放音功能實(shí)質(zhì)上是一個(gè)DAC過程，而ADC過程資料是由電腦完成，其中包括對語音信號的采樣、壓縮、EQ等處理。語音電路采用ISD2560語音芯片，通過單片機(jī)控制其功能引腳CE、PD和P／R，實(shí)現(xiàn)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)訪問地址線，可以存儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)多段信息處理的多功能語音錄放，可存儲(chǔ)語音信號段數(shù)為600段，每段可錄音時(shí)間為60 s，能重復(fù)錄放達(dá)10萬次。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)語音、音樂、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50～850 MHz的功放芯片SBB-2089，其實(shí)功率增益可達(dá)20 dB，目前收發(fā)距離可達(dá)150 m左右，比較適于交通狀況提示所用。在無委會(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POWER UP，它對應(yīng)的命令為0x01；若需轉(zhuǎn)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(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(dá)150 m以上，語音清晰，且傳輸距離可調(diào)。

　　5.2 性能測試及評價(jià)

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

　　①可準(zhǔn)確接收周邊150 m以上車輛告警信號；

　?、诮邮盏降恼Z音信號清晰悅耳；

　?、劭蓪?shí)時(shí)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(shí)檢測確認(rèn)發(fā)送功能，有效避免誤發(fā)送；

　?、菘蓪?shí)現(xiàn)多段語音錄放管理；

　　⑥緊急情況可實(shí)時(shí)直接對外喊話；

　?、呖筛鶕?jù)需要自動(dòng)開啟車內(nèi)危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈；

　?、啾憬莸慕换ソ涌冢壕э@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)500 m或者更遠(yuǎn)。

　　結(jié) 語

　　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(jī)、門鈴、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，爭取將此產(chǎn)品更加完善。

　　關(guān)于Silicon Lab公司簡介

　　Silicon Laboratories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集成電路?；旌闲盘柤呻娐返哪M使我們生活的世界互動(dòng)與數(shù)碼世界的計(jì)算在客戶產(chǎn)品，如機(jī)頂盒，電視機(jī)，和手機(jī)。發(fā)達(dá)國家的世界一流的工程團(tuán)隊(duì)， Silicon Labs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)勢而不犧牲性能?？偛吭O(shè)在德克薩斯州奧斯汀市， Silicon Labs公司是一家性企業(yè)，經(jīng)營，銷售和設(shè)計(jì)活動(dòng)，世界各地。成立于1996年的原則，不斷創(chuàng)新和堅(jiān)實(shí)的執(zhí)行， Silicon Labs的強(qiáng)大的業(yè)務(wù)基礎(chǔ)和良好的記錄已造成持續(xù)增長的整個(gè)公司的歷史。Silicon Labs的產(chǎn)品都與特定的應(yīng)用一般用途的產(chǎn)品包括高性能的混合信號8位微控制器，廣播音頻和視頻解決方案， ISOmodem ?嵌入式調(diào)制解調(diào)器，道ProSLIC ?用戶線接口電路，硅直接訪問安排（ DAAs ）及鐘表和振蕩器。這些解決方案，提供一系列廣泛的應(yīng)用市場，包括消費(fèi)性，通訊，計(jì)算機(jī)，工業(yè)和汽車。