楊潤(rùn)豐，陳曉寧，朱彩蓮

(東莞職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，廣東東莞 523808)

無(wú)線擴(kuò)音系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，解決了實(shí)際工程中的布線和移動(dòng)使用的難題。無(wú)線傳輸方式也從傳統(tǒng)的U段、V段無(wú)線擴(kuò)音發(fā)展到今天的紅外線、藍(lán)牙和2.4 GHz頻段的無(wú)線數(shù)字傳輸方式。傳統(tǒng)的模擬信號(hào)無(wú)線擴(kuò)音設(shè)備發(fā)射器的使用會(huì)受到同頻、鄰頻或外界電波干擾，擴(kuò)音的回輸較大，而且高頻電波輻射大，擴(kuò)音回輸會(huì)對(duì)人的耳膜造成一定的傷害。音頻在數(shù)字信號(hào)傳輸過(guò)程中受干擾的可能性小、抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字無(wú)線擴(kuò)音系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于教學(xué)、會(huì)場(chǎng)、現(xiàn)代辦公、家居生活等領(lǐng)域。

工作于2.4 GHz的ISM頻段有4億個(gè)可用地址碼，可通過(guò)跳頻詢址技術(shù)保證在同一場(chǎng)所同時(shí)使用而不串頻［1］。發(fā)射信號(hào)的頻帶寬度大于所傳信息必需的最小帶寬，而頻帶的展寬是通過(guò)擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無(wú)關(guān)，并只有發(fā)射器和接收器知道，在接收端則用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來(lái)解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)被所有的跳頻點(diǎn)所攜帶，如果噪音沒(méi)有影響到所有的跳頻點(diǎn)，信息就可以被修復(fù)，一定條件下可以有多個(gè)系統(tǒng)在同一頻率范圍內(nèi)共存。文中介紹使用ATmega8 MCU和nRF24L01射頻收發(fā)器件進(jìn)行開發(fā)的無(wú)線智能跳頻數(shù)碼擴(kuò)音器設(shè)計(jì)方案。利用智能跳頻詢址技術(shù)，使發(fā)射機(jī)可更迅速地自動(dòng)被接收機(jī)識(shí)別，任意發(fā)射機(jī)可以匹配任意接收機(jī)，匹配后自動(dòng)鎖定直至發(fā)射機(jī)關(guān)閉或者離開無(wú)線電覆蓋范圍。在無(wú)障礙物的直線傳輸條件下輸出功率為5 W、發(fā)射和接收有效距離≤60 m。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由MCU、發(fā)射和接收系統(tǒng)構(gòu)成。音頻信號(hào)由發(fā)射端的前端信號(hào)處理電路放大后送往MCU內(nèi)部A/D進(jìn)行采樣，MCU將采樣所得數(shù)據(jù)打包通過(guò)RF模塊發(fā)送出去。接收端MCU從RF模塊讀取數(shù)據(jù)包，并將其送至MCU內(nèi)部的TIMER1進(jìn)行PWM調(diào)制，然后輸出至外部低通濾波器，最后還原得到相應(yīng)的音頻信號(hào)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理圖

1.1 主控MCU模塊

MCU選用AVR系列的 ATmega8，其是基于增強(qiáng)AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega8的數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)1 MIPS/MHz，16 MHz時(shí)性能達(dá)16 MIPS，因此可緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。工作電壓2.7～5.5 V，內(nèi)部集成8路10位ADC、SPI串行接口、16位帶PWM調(diào)制輸出的定時(shí)器、512 Byte的EEPROM。其內(nèi)部資源能滿足發(fā)射端和接收端MCU的要求［2］。

1.2 RF模塊

nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置?？蛇M(jìn)行地址及 CRC檢驗(yàn)功能。nRF24L01功耗低，在以－6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流9 mA;接收時(shí)，工作電流12.3 mA，多種低功率工作模式使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。收發(fā)雙方傳輸信號(hào)的載波按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化，以避開干擾、完成傳輸?？傊l技術(shù)FHSS不是抑制干擾而是容忍干擾［3］。由于載波頻率是跳變，具有抗高頻及部分帶寬干擾的能力，當(dāng)跳變的頻率數(shù)目足夠多和跳頻帶寬足夠?qū)挄r(shí)，其抗干擾能力較強(qiáng)。利用載波頻率的快速跳變，具有頻率分集的作用［4－5］，從而使系統(tǒng)具有抗多徑衰落的能力。利用跳頻圖案的正交性可構(gòu)成跳頻碼分多址系統(tǒng)，共享頻譜資源，并具有承受過(guò)載的能力。

1.3 音頻放大

如圖 2 所示，該電路 U5A、R8、C17、R7、R14、R9、R16、R13負(fù)責(zé)麥克風(fēng)輸入信號(hào)的放大，放大倍數(shù)為10倍。其中R8給麥克風(fēng)提供直流偏置，經(jīng)過(guò)C17耦合至運(yùn)放U5A。R7、R14、R9用于給運(yùn)放提供一個(gè)虛擬地。如果有3.5 mm的音頻信號(hào)接頭插入J5時(shí)，后續(xù)電路會(huì)斷開和前級(jí)放大的連接，從而實(shí)現(xiàn)MIC聲音和外部音頻輸入的切換。U5B、R11、R15、R17、R19、C21負(fù)責(zé)輸入 MIC和外部音頻信號(hào)的放大，放大倍數(shù)為5倍，原理與前級(jí)放大相似。運(yùn)放選用LMV358，LMV358是一款Rail to Rail雙運(yùn)放，工作電壓在2.7～5 V，增益帶寬乘積為1 MHz，工作電流140μA，適合電池供電。

1.4 電源穩(wěn)壓

LDO選用PAM3101，為正向線性穩(wěn)壓器系列，其特色是低靜態(tài)電流和低壓降，是電池供電應(yīng)用的理想選擇。小體積S0T－23和SOT－89封裝對(duì)于便攜式和發(fā)射設(shè)備具有吸引力。熱關(guān)閉和電流限制可防止器件在極端的工作環(huán)境下失效。

圖2 音頻信號(hào)放大電路圖

2 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射端系統(tǒng)接口

如圖3所示，ATmega8通過(guò)SPI與 NRF24L01連接。在對(duì)NRF24L01初始化之前，必須對(duì)IO口進(jìn)行初始化，方向寄存器 DDR設(shè)置如圖上的箭頭所示。ATmega8工作頻率為16 MHz，故通過(guò)設(shè)置SPCR、SPSR寄存器讓SPI工作于時(shí)鐘加倍模式，可使SPI時(shí)鐘頻率達(dá)8 MHz。內(nèi)部A/D工作時(shí)鐘通過(guò)64分頻后為250 kHz;單次轉(zhuǎn)換周期為52μs;在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，采樣頻率約為20 kHz、8 bit精度。每次完成轉(zhuǎn)換后將觸發(fā)ADC中斷。電源部分作為電路的重要組成部分，其性能好壞直接影響輸出音質(zhì)。由于發(fā)射端RF模塊工作于發(fā)射狀態(tài)時(shí)瞬間電流較大，如果模擬器件和RF模塊使用同一LDO，則輸出音頻會(huì)受到嚴(yán)重干擾，故模擬器件和數(shù)字器件各自使用獨(dú)立LDO，力求將影響減到最小。

圖3 發(fā)射端系統(tǒng)接口

2.2 接收端系統(tǒng)接口

如圖4所示，ATmega8與NRF24L01連接方式與發(fā)射端相同，IO方向設(shè)置也與其相同。為了防止NRF24L01返回ACK時(shí)造成的電源波動(dòng)，模擬器件和數(shù)字器件都各自使用獨(dú)立LDO。由于ATmega8的IO口較少，內(nèi)部數(shù)個(gè)硬件接口使用同一個(gè)IO，導(dǎo)致接口沖突。SPI的MOSI和 Timer2的 OC2共用 PB3，SS與Timer1的 OC1B共用 PB2，最后只有16 bit的 Timer1 OC1A可使用。通過(guò)修改TCCR1A寄存器讓Timer1工作在8bit PWM模式，工作頻率為62.5 kHz。修改OCR1則可以改變 OC1B上輸出的 PWM占空比。Timer2在比較匹配模式下工作，每隔52μs中斷一次，并修改緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送至Timer1，讓其改變PWM占空比，經(jīng)過(guò)低通濾波器濾去PWM高頻成分后，最終得到音頻信號(hào)。

圖4 接收端系統(tǒng)接口

3 主控軟件流程

3.1 發(fā)射端軟件流程

MCU上電復(fù)位后，首先會(huì)對(duì)SPI接口進(jìn)行初始化，再進(jìn)行 IO設(shè)置。接著再對(duì)外設(shè) NRF24L01和Timer0初始化。完成對(duì)NRF24L01的初始化后，緊接著就是對(duì)接收機(jī)的搜索。流程圖內(nèi)附有簡(jiǎn)略算法。與接收機(jī)建立握手后就開始對(duì)A/D初始化，并開始對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣，將數(shù)據(jù)保存至A、B兩個(gè)緩沖區(qū)，一旦A緩沖區(qū)溢出后新采樣的數(shù)據(jù)就傳輸至B緩沖區(qū)，并將A緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)打包發(fā)送。緊接著進(jìn)入接收模式并等待接收端返回ACK。與此同時(shí)采集的數(shù)據(jù)將保存到B緩沖區(qū)內(nèi)。當(dāng)收到ACK后將進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期。如果10 min內(nèi)不斷發(fā)送數(shù)據(jù)且沒(méi)有收到ACK則認(rèn)為和接收端的連接已經(jīng)中斷，這時(shí)將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。定時(shí)器每10 ms觸發(fā)中斷，對(duì)當(dāng)前連接狀態(tài)通過(guò)紅綠LED進(jìn)行顯示。正常狀態(tài)時(shí)綠色LED長(zhǎng)亮，一旦出現(xiàn)丟包現(xiàn)象則只有紅LED長(zhǎng)亮，用于告知發(fā)射端和接受端的距離過(guò)遠(yuǎn)或信號(hào)受到障礙物阻擋、干擾。

3.2 接收端軟件流程

接收端的軟件實(shí)現(xiàn)流程為發(fā)射端的逆過(guò)程。首先對(duì)ATmage8的 IO、SPI、定時(shí)器、NRF24L01進(jìn)行初始化，其設(shè)置與發(fā)射端一致。接著設(shè)置NRF24L01為接受狀態(tài)，MCU將搜索發(fā)射端握手信號(hào)和空閑頻道，如果搜索不到握手信號(hào)時(shí)將在空閑頻道上等待發(fā)射主動(dòng)搜索到該頻道。完成信號(hào)握手后接收端將會(huì)一直等待發(fā)射端發(fā)送數(shù)據(jù)包，并把數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)移至緩沖區(qū)，10 min后收不到數(shù)據(jù)包則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。Timer2工作于比較匹配模式，一旦TNCT2等于OCR2時(shí)，MCU會(huì)對(duì)TNCT2硬件清零，從而產(chǎn)生一個(gè)周期為52μs的比較匹配中斷，并利用這個(gè)中斷去從緩沖區(qū)讀取音頻數(shù)據(jù)至Timer1用于輸出PWM占空比。與此同時(shí)，timer也將產(chǎn)生一個(gè)10 ms的中斷用于LED顯示連接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)原理與發(fā)射端的一致。

4 性能測(cè)試

無(wú)線智能跳頻數(shù)碼擴(kuò)音器實(shí)現(xiàn)射頻頻率在2.4～2.5 GHz的數(shù)碼傳輸。在無(wú)遮擋直線傳輸?shù)臈l件下，有效距離達(dá)60 m。收、發(fā)機(jī)可自動(dòng)應(yīng)答和重發(fā)。頻響為100 Hz～10 kHz。信噪比＞45 dB。在125個(gè)可選工作頻道中自動(dòng)跳頻，頻道切換時(shí)間極短。發(fā)射器工作狀態(tài)電流最大為12 mA，靜待狀態(tài)電流最大為0.06 mA，輸出功率5 W，數(shù)據(jù)速率為2 Mbit·s－1。

5 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線智能跳頻數(shù)碼擴(kuò)音器設(shè)計(jì)方案，是利用ATmega8 MCU和nRF24L01射頻收發(fā)器件，以及智能跳頻詢址技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的，在可選工作頻道中自動(dòng)跳頻，頻道切換時(shí)間極短。在無(wú)障礙物的直線傳輸條件下實(shí)現(xiàn)輸出功率為5 W、發(fā)射和接收有效距離在60 m以內(nèi)。ATmega8 MCU的應(yīng)用雖然降低了該擴(kuò)音器的成本，但ATmega8 MCU的性能限制，使擴(kuò)音效果存在音頻爆音現(xiàn)象。處理的方法有不少，其中可采用窄帶高頻及中頻選頻濾波，外加噪聲數(shù)碼抑制電路，有效避免脈沖雜音，多種增強(qiáng)主音源，最大限度抑制了背景噪音，提高了傳音質(zhì)量。

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