单工无线呼叫系统.docx
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单工无线呼叫系统
单工无线呼叫系统[2005年电子大赛一等奖]
2007-06-2122:
17
作者：
桂林电子工业学院刘涛朱剑芳林嘉源
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。
关键字：
SPCE061A单片机 FM调制
一、方案论证
1、调制方式选择
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）。
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30MHz～40MHz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。
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。
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。
3、发射机方案选择
方案一：
采用变容二极管和晶体管构成的石英晶体振荡器，使其振荡频率在30MHz-40MHz之间，调频后进行发射。
方案二：
采用专用的调频发射芯片，如BA1404等，借助于外围的LC振荡回路来改变载波频率，从而实现调频。
方案三：
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30MHz-40MHz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，本系统采用方案三。
4、接收机方案选择
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，使得接收频率范围落在30MHz-40MHz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。
5、英文键盘方案选择
方案一：
采用矩阵键盘，采用矩阵式行列扫描方式，但26个英文字母至少需要11个I/O才能完成，这样单片机的引脚资源变得极为贫乏。
方案二：
采用大屏幕液晶，采用移动光标的方式从所有字母中选择输入。
该方案操作烦琐，而且加大了软件工作量。
方案三：
采用市售的按键数大于30的红外遥控器，分析其码元信息，实现不同字母的输入。
方案三方便实用，操作快捷，本系统采用该方案。
二、详细软硬件设计
本系统是由发射机和接收机构成的单工呼叫系统。
发射机框图如图2.1，硬件连接图如图2.3，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。
图2.1 发射机系统框图
接收机方框图如图2.2，硬件连接图如图2.3，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1.5V电池串联供电。
图2.2 接收机系统框图
图2.3 接收机系统硬件连接图
1、硬件设计
（1）主机部分
a）主站控制单片机小系统电路
该小系统以SPCE061A单片机为核心，小系统电路原理如图2.4所示。
外围电路包括：
4×4键盘，如图2.5所示，题目中发挥部分第1项群呼、单呼等命令以及0-9十个数字的输入由该键盘来完成；RT128×64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、C、D、E、F…又是可以通过4×4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2.4 4×4键盘功能图
图2.5 发射机主控单片机小系统
b） 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，具有频率稳定和精确度高、体积小、重量轻等特点。
该部分原理图如图2.6。
图2.6 双音频编码原理图
在电路中，IOB0～IOB7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：
SPCE061A单片机先将要发送的四位二进制码（共有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0-9十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。
c） 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2.7。
（注意图中的"TORFMUL"指的是接到RF的放大模块）
图2.7 锁相频率合成器原理图
Q1、C2、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N0-N13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。
晶振选用4.096MHz，取
=35.328MHz，P=16，晶振频率4.096MHz，R计数器取2048次分频，于是
R的取值为2048，RA2、RA1、RA0为101；
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。
d） 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2.8所示。
图2.8 话筒放大电路原理图
e） 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，增加频率的稳定度和提高输出功率。
原理图如图2.9。
图2.9 高频功率放大电路原理图
（2）从机部分
a） 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，其接收性能非常优越。
芯片4脚为直流音量控制端，改变该脚的电位高低就可以改变输出音量的大小。
通过调节该电位器改变其双音频信号输出电压的幅值，使解码器MT8870能很准确地解码。
它完全杜绝了采用传统音量控制电路因电位器不良而引起喇叭中嚓嚓声的通病，使得其输出的音频信号的电压很稳定。
图2.10中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。
图2.10 调频接收电路原理图
b） 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RT128×64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2.11所示，图中J12为双音频解码后的四位二进码元输入端，J6为RT128×64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。
图2.11 接收机主控单片机小系统
c） MT8870双音频信号译码模块的电路
如图2.12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。
当双音频信号来到时，被MT8870解码后，MT8870的15脚STD会由低电平向高电平跳变，经反向后向单片机申请中断，解码输出的二进制码由Q1～Q4输出后送给单片机进行相应处理，实际运用电路图中J1是来自接收机的双音频编码信号，J3是经过MT8870解码后的4位二进制数据输出端及译码器中断输出端。
图2.12 双音频信号译码电路原理图
2、软件设计
在整个控制流程中采用2片SPCE061A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，还可以采用遥控键盘输入英文短信；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。
（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。
主机软件流程图如图2.13所示。
图2.13 主机程序流程图
（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2.14所示。
图2.14 接收机程序流程图
（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：
1
*
*
*
0
*
*
*
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，保证了在整个通讯中不会冲突。
三、测试说明
1、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
2、整机测试
（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。
（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）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。
（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。
（5）短信息发送功能
通过遥控器从主机编辑16字符长度的英文短信，当按下发送键后，在选通的从机的显示屏上能显示出主机发送的短消息内容，且无误码。
说明短信息发送功能正常。
实测15m距离通信正常。
四、结论
我们的设计完成了题目中的基本部分和发挥部分，采用红外遥控器实现了英文字符的输入，利用双音频实现了数据的传输，发射机采用锁相环产生载频，频率稳定度高，接收机采用了调频接收专用IC，灵敏度高，有效的提高了接收数据的可靠性，增大了接收距离，实测表明在35米的距离范围内，从耳机收到的音乐清晰悦耳，关闭调制信号，静噪效果好，在15米的距离内，发送16字符的英文短信，接收端显示正确无误。
不足之处是从站没有使用锁相环，有时会出现接收机频率轻微偏移的现象，这点有待改进。
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