【电子信息工程】无线对讲机设计

无线对讲机设计摘要本文阐述无线对讲机基带信号处理单元的设计。主要设计工作包括发射端的麦克风语音信号放大电路，采样和量化，以及接收端的数字信号接收、数模转换、平滑滤波和功率放大，从而支持语音信号的基带传输。电路设计中主要使用运算放大器和单片机，分别处理模拟信号和数字信号。完成了硬件制作和软件编程。测试结果表明，麦克风语音信号放大电路、采样量化、数字信号接收、数模转换、平滑滤波和语音功率放大均达到了预期指标。关键词对讲机运算放大器STC12C5A60S2单片机DESIGNOFTHEONEWAYRADIOBASEBANDSIGNALPROCESSUNITABSTRACTTHISPAPERMAINLYEXPOUNDSTHEDESIGNMETHODOFTHEONEWAYRADIOINBASEBANDSIGNALUNITTHEMAINWORKCANBEDIVIDEDINTOTWOPARTSSENDINGANDRECEIVINGTHEFORMERINVOLVESTHEAMPLIFICATIONOFTHEINPUTVOICESIGANLFROMTHEMICROPHONE,SAMPLING,ANDQUANTIZATIONAFTERTHEARRIVALOFTHESIGNAL,THENEXTPROCEDURESAREASFOLLOWSTHEDIGITALSIGNALRECEIVING,D/ACONVERSION,SMOOTHINGFILTERINGANDPOWERAMPLIFICATIONWHENTHEABOVESTEPSAREFINISHED,THEBASEBANDSIGNALTRANSMISSIONAREIMPLEMENTED,THEMAINCOMPONENTSUSEDINTHEDESIGNOFCIRCUITAREOPERATIONALAMPLIFIERSANDMICROCONTROLLERS,RESPECTIVELYPROCESSINGANALOGUEANDDIGITALSIGNALTHENIUSETHESOFTWAREFORCIRCUITSIMULATIONANDDEBUGGINGONCETHERESULTSREACHTHEEXPECTEDINDICATORS,IPUTITINTOPRACTICEANDMAKEPLATESFORTHECIRCUITTHEFINALWORKISTOTESTTHEPLATESANDMAKEADJUSTMENTSSOASTOMEETTHEREQUIREMENTSWANTEDKEYWORDSONEWAYRADIOOPERATIONALAMPLIFIERSTC12C5A60S2MICROCONTROLLER目录ABSTRACTII目录III引言1第1章无线对讲机系统211无线对讲机基带信号处理单元结构212工作原理213单片机的复位电路314单片机系统的晶振电路3第2章基带传输系统设计方案421A/D转换和基带串行发送的设计422接收部分的设计7221串行接收的设计7第3章软件仿真和调试731基带串行发送设计的仿真和调试732基带接收部分的仿真和调试10321基带串行接收的仿真和调试10第4章实验测试和结果1141基带发送部分的测试和结果12411前置放大电路的测试和结果12412抗混叠滤波器的测试和结果14413基带串行发送的测试和结果16414D/A转换电路的测试和结果18415平滑滤波器的测试和结果19416功率放大器的测试和结果19结论20参考文献23附录24引言古时候的通信方式有蜂火台、飞鸽传书、驿站等等，主要的目地在于传送军事情报，其传输煤介主要是利用人力和物力来达成。直到“电”问世后，才开始寻找通过使用电来通信的可能性。经过人们的发展，在这两百年内获得重大进步，尤其是配合电子元件的进步，使复杂、便利的通信系统得以实现，并成为日常生活中不可缺少的东西。在整个通信技术发展过程中，有些科学家作出了重要的突破性贡献。例如1864年，马克斯威尔MAXWELL导出电磁波理论，证明电磁波的存在，而赫兹1887年经由实验证明电磁波存在，这些进步使得无线通信变得可能也逐渐成真。另外，贝尔BELL于1875年发明电话，使声音可以直接传递，结合史卓格STROWGER在1897年发明的自动交换机，使得电话服务得以顺利成长。由于真空管于1904年问世，促使阿姆斯壮于1918年发明超外差无线电接收机，开启无线电广阔的应用大门。在1930年前的通信发展主要是属于类比通信的成长。在1930年以后，随着数子通信、电脑及人造卫星的产生，整体通信技术也朝向数子通信方向来发展，对人类生活的影响也更为加深。当然，这些进步也都基于电子原件由真空管、电晶体、集成电路INTEGRATEDCIRCUIT，IC及超大型集成电路VERYLARGESCALEINTEGRATEDCIRCUIT，VLSI的长足进步，才能使通信系统更具方便性及操控性。随着电脑技术、通信技术与娱乐的结合，大家都希望能够更随心所欲地使用科技，无线通信技术便逐渐获得大家的青睐。大家都希望能够透过无线通信技术，使自己不再局限于有线传输设备，进而摆脱掉上述的种种羁绊。无线通信技术主要就是利用无线电波取代传统的传输线路例如铜线，双绞线、光纤等，通过适当的技术，我们可以将低频的信息加在高频的载波之上，这就是我们所谓的调制（MODULATION），而相反地，自高频的载波中将信息取出的技术，我们把它称之为解调DEMODULATION，而这个可以用来发射的高频载波，便称之为射频简称RF。通过改变载波的波长、振幅、频率，我们就可以利用载波来表示信息。基本上，各种通信系统的资讯传送过程，以从甲地单向地传到乙地为例，其流程大约如下1在甲地将要传送的信息，以电的信号表现出来。2将此电信号放大、编码或调制后，依据各种传输煤介特性，将信息传送到乙地。3在乙地将电信号收集后，经解码或解调。4再依原传送信息性质还原回来，在透过喇叭转换使人能听到。第1章无线对讲机系统11无线对讲机基带信号处理单元结构如图11所示为单工无线对讲机总体系统结构。它包括基带信号处理单元和射频信号处理单元两部分。射频部分可由专用芯片完成，本文只阐述基带信号的数字传输设计，包括为射频芯片发射部分提供语音数字输入，从射频芯片接收部分接收数字输出并还原出语音信号。由于采用单工方式通信，在同一时刻只能单方向传送信息。当A方按下发送按键时，发信机与天线相连接而处于发送状态，B方则应使天线与收信机相连接而处于接收状态，构成由A到B的单向通信链路。要使信息反向传送，则需要双方改变原来的收发状态。考虑到A，B双方的收发机完全相同，而本文不涉及射频部分，为减少工作量，只设计一对收发机进行基带通信，简化后总体系统结构如图12所示。高放混频缓冲放大选频高放鉴频低放中放音放调频本振本振滤波器图11单工无线对讲机工作原理图12工作原理发信电路包括话筒音频放大、调制、缓冲放大、选频、发射功放等部分。收信电路包括高放、混频、中放，鉴频、低放等部分。发信时，话音经过话筒，将声音信号转换为电信号。然后经过音频放大器将其放大，再用其进行调频，使载波信号的频率按调制信号规律变化。之后已调信号经过缓冲放大器，进入选频电路，选出所需要的谐波信号。最后经过高频放大器进行信号放大后由天线发射出去。收信时，由天线接收所需信号，先经过高频放大，再进行混频，产生中频信号，中频信号经过中频放大器后，送入鉴频器进行解调，解调出音频信号。音频信号经过音频功率放大器放大后，获得所需的推动功率推动扬声器发出声响。13单片机的复位电路12单片机复位电路在系统运行的过程中，有时可能对系统需要进行复位，为了避免对硬件系统经常加电和断电造成的损害，设计了手动的复位电路。如图42所示。这种电路的设计，在系统的运行过程中需要复位时，只需使开关闭合，在RST端就会出现一定时间的高电平信号，从而使单片机实现复位。14单片机系统的晶振电路单片机必须在时钟的驱动下才能进行工作。MCS51系列单片机内部都有一个时钟振荡电路，只需外接晶振源，就能产生一定频率的时钟信号送到单片机的内部的各个单元，决定单片机的工作速度。图43就是内部时钟工作方式的电路图，这是一种常用的方式。这种方式是外界振荡源，本设计就采用这种外接晶振的方法。电路中的两个电容的作用有两个一是帮助振荡器起振（C1C2的值大，起振的速度慢；反之，速度快。）；二是对振荡器的频率起到微调的作用（C1C2的值大，频率略有减少，反之，频率略有提高）。C1C2的值采用30PF。13单片机内部晶振电路连接图第2章基带传输系统设计方案21A/D转换和基带串行发送的设计1基本要求7微弱的语音进号经前置放大电路线性放大后就可进行A/D转化，获得的数字量输入数字调制发射模块进行发射，本设计中只作基带发送。放大后待量化的语音信号频率范围仍然在3003400HZ之间，根据采样定理，采样频率必须大于等于基带最高频率的2倍，才可以由采样信号恢复出原信号。取最高频率为4KHZ，则采样频率为8KHZ。本设计利用PIC16F877单片机内置A/D转换电路实现10位量化，然后取高8位通过单片机的SPI模式进行基带串行送。A/D转换电路应达到下列要求A每次A/D转换周期（包括采样保持和量化两过程）不超过1/8KHZ125USB串行数据传输速率不得低于8BIT/125US64KB/S,并行传输速率每路不低于1BIT/125US8KB/S2基本方案8AA/D转换时间间隔。查询PIC16F877单片机手册，了解到每次A/D转换分两个阶段采样保持，量化。最小采样保持时间为12US，量化用时12TAD。其中TAD由软件设置为TAD8TOSC，TOSC为单片机所接晶振的周期，通常都是用4MHZ晶振，TOSC1/4MHZ025US，TAD2US，量化用24US。则一次A/D转换最少用时为122436US。所以每次A/D转换的间隔应控制在36US和125US之间，可用单片机内的定时器0进行定时，量化后的10位数字量结果只取高8位，采用单片机SPI主模式串行输出，流程图见图211。图21A/D转换流程图BA/D转换参考电压。理论上放大后的语音信号电压在15V之间变化，实际中可能难以达到，但可以确定是在正负电压之间变化，所以先以5V作参考电压。VOIDMAINUINT8BIAOZ10,BIAOZ20,I,LLCD_INILCD_ORDER0X80FORI0I200/如果缓存满,将缓存指针指向缓存的首地址II0ES1/开启串口中断第3章软件仿真和调试31基带串行发送设计的仿真和调试（1）程序方案A用8位TIMER0计数器定时，每125US产生中断信号，在中断程序中利用SPI模式读取采样值串行输出。PIC的FOSC4MHZ，TIMER0的计数周期为FOSC/41MHZ，取TIMER0的最小分频比12，则TIMER0计数周期为1/（FOSC/4/2）2US，计数初值TMR0计算公式如下（256TMR0）2US125US，取TMR02000XC8。B开辟缓冲区用于存放A/D转换的数据。C初始化TIMER0和SPI，包括开TIMER0中断，使能SPI的串口引脚SCK，SDO，SDI等。D写入TIMER0初值TMR00XC8，从而启动TIMER0，等待计数溢出中断。E在中断程序中读取缓冲区中的数据写入SSPBUF中，即可直接将数据由SDO输出。（2）程序代码/发送字符ASCII函数/函数原型VOIDSEND_ASCIIUNSIGNEDCHARB/函数功能发送字符ASCII码/输入参数UNSIGNEDCHARB/输出参数无/VOIDSEND_ASCIIUNSIGNEDCHARBES0/关串口中断FORBB0BSBUFBWHILETI1/等待发送完成TI0/清除发送中断标志位ES1/开串口中断SEND_HEX0X0D/发送回车符SEND_HEX0X0A/发送换行符/发送字符十六进制函数/函数原型VOIDSEND_HEXUNSIGNEDCHARC/函数功能发送字符十六进制/输入参数UNSIGNEDCHARC/输出参数无/调用模块无/VOIDSEND_HEXUNSIGNEDCHARCES0/关串口中断SBUFCWHILETI1/等待发送完成TI0/清除发送中断标志位ES1/开串口中断/判断缓存中是否含有指定的字符串函数/函数原型BITHANDUNSIGNEDCHARA/函数功能判断缓存中是否含有指定的字符串/输入参数UNSIGNEDCHARA指定的字符串/输出参数BIT1含有0不含有/调用模块无/BITHANDUNSIGNEDCHARAIFSTRSTRREC_BUF,ANULLRETURN1ELSERETURN0/串口中断处理函数/函数原型VOIDSERIAL_INTVOID/函数功能串口中断处理/输入参数无/输出参数无/VOIDSERIAL_INTINTERRUPT4ES0/关串口中断，防止中断嵌套IFTI/如果是发送中断，则不做任何处理TI0/清除发送中断标志位IFRI/如果是接送中断，则进行处理RI0/清除接收中断标志位REC_BUFIISBUF/将接收到的字符串存到缓存中II/缓存指针向后移动IFII200/如果缓存满,将缓存指针指向缓存的首地址II0ES1/开启串口中断（2）仿真电路PIC的RC5即为SPI的串行输出口SDO，可观察串行输出结果。图31基带串行发送仿真电路（3）仿真结果图32基带串行发送仿真结果观察可知两次串行输出8个“1”的时间间隔约为125US，初步达到串行通信要求。32基带接收部分的仿真和调试基带发送部分的仿真和调试包括基带串行接收的仿真和调试、D/A转换电路的仿真和调试、平滑滤波器的仿真和调试、功率放大器的仿真和调试。321基带串行接收的仿真和调试（1）程序方案AU1作发送，U2作接收B在SPI主模式下，U1将缓冲区数据由SDO口输出，并由SCK口发送时钟信号，U2的SCK口接收U1的时钟信号，并按U1时钟由SDI接收U1的SDO口输出的数据，然后由RB7RB0并行输出。（2）仿真电路图34基带串行接收仿真电路（3）仿真结果图35基带串行接收仿真结果SDO发送数据为0XAA，高两位分别为1、0，RB7、RB6经过延时在T时刻分别为1、0，实现了串行通信。第4章实验测试和结果41基带发送部分的测试和结果基带发送部分的测试和结果包括前置放大电路的测试和结果、抗混叠滤波器的测试和结果、A/D转换电路的测试和结果、基带串行发送的测试和结果四部分。411前置放大电路的测试和结果由于11173V是双运放集成电路，设计时用一个运放作前置放大，另一个运放用于设计抗混叠滤波器。10（1）原理图图41为前置放大电路原理图，图42为麦克风语音输入电路原理图。图41前置放大电路原理图（2）PCB版图实际设计的电路将图41与42综合在一起，如图42所示。图42前置放大电路综合PCB版图（3）硬件电路图43前置放大电路硬件电路图412抗混叠滤波器的测试和结果抗混叠滤波器与平滑滤波器设计相同（1）原理路图44抗混叠滤波器原理图（2）硬件电路图45抗混叠滤波器硬件电路图（3）程序代码INCLUDE/采用PIC16F877A的SPI主模式传输8位的AD转换数据/SPI主模式下只要向SSPBUF存入数据，就可由SDO串行输出/在中断中进行A/D转换并将结果放入SSPBUF，从而直接发送VOIDINTERRUPTUSART_SEVET0IF0TMR00XC8ADGO1WAITIFADIF0GOTOWAITSSPBUFADRESHADIF0/SSPBUFT_TEMPI/I/TMR00XC8MAINTRISC30/RC3为输出作SCKTRISC50/RC5为输出作SDOTRISC41/RC4为输入作SDISSPCON0X31SSPSTAT0X40INTCON0XE0OPTION0X00ADCON00X41/选择通道AN0为模拟输入,无外接基准电压；AD转换时钟为8分频接通AD转换的电源；ADCON10X0E/选择采样数据左对齐,AN0为模拟输入其他为I/O端口TMR00LOOP/IFI8I0GOTOLOOP413基带串行发送的测试和结果（1）原理图图46基带串行发送原理图（2）程序代码INCLUDE/程序目的采用PIC16F877A的SPI主模式传输8位的AD转换数据/SPI主模式下只要向SSPBUF缓冲器存入数据，就可自动进入移位寄存器SSPSR，/最后由SDO串行输出/数据存入SSPBUF缓冲器后，补充RC4产生下跳变（可修改为上跳变），/通知NRF2401接收数据。/仿真显示，BIT7传送的初始阶段，RC4及时产生下跳变，达到了预期效果。/存在问题，数据放入SSPBUF以后，不能将SSPIF置位INTI0INTT_TEMP80XAA,0XFF,0XAA,0XFF,0XAA,0XFF,0XAA,0XFF/缓冲区放8个数据测试VOIDINTERRUPTUSART_SEVET0IF0TMR00XE0SSPBUFT_TEMPIIMAINTRISC30/RC3为输出作SCKTRISC50/RC5为输出作SDOTRISC41/RC4为IO输出，不作串行口的SDI引脚SSPCON0X31SSPSTAT0X40INTCON0XE0OPTION0X00TMR00LOOPIFI8I0GOTOLOOP（3）实验小结前几次试验一直未接收成功，今天终于发现原因。我在向单片机下载发送程序时记得将晶振设置为XT模式，使用4M晶振，而下载接收程序时，新建了一个工程，程序编译成功后，到下载时未更改新工程默认设置的RC模式，使用的是低精度的晶振，导致接收发两端的单片机晶振精度不一致，所以无法正确接收。此外晶振不一致还带来一系列问题，我当时尝试在主程序添加RC7输出高电平，RC5输出低电平作为指示信号，在中断程序中增加RC7输出低电平，RC5输出高电平以便说明进入了中断，可是都没有反应，PORTB和RC7、RC5输出均为低电平，并伴随很多杂波。先前开发板上4M晶振受损大概也是由于忘记设置XT模式而损坏的。前几次在实验室测验还发现接收时，时钟信号SCK发生严重畸变，也应归结于此。在软件仿真中发现发送使用1MHZ晶振，接收使用4MHZ晶振，输出的时钟信号SCK也严重畸变，导致实验失败。通过近半个月的实验测试，对PIC单片机的开发应用流程有了一个整体的框架。现总结如下A根据方案选择合适的单片机模块。PIC单片机功能模块很多，如A/D、SPI、USART、I2C等，需根据需要进行评估分析作出选择，本次实验采用SPI其串行速率可达2MBPS，完全满足语音信号传输速率64KBPS的要求。B查手册中各模块的控制字，时序图等基本设置信息，主要包括初始化和中断控制。本次实验主要用SSPCON、SSPSTAT及外围中断使能INTCON（含GIE、PEIE），PIE1（含SSPIE），中断标志PIR1（含SSPIF）。C从网上或现有材料如课件找相应模块的程序段或函数包，在软件的集成开发环境和硬件的仿真环境中进行调试，修改和完善代码，缩短开发周期，快速掌握所需模块的使用方法。注意收集和整理原始程序代码，进行注解和分类，以备不时之需。D不断整合各模块程序，由少到多逐步实现所需功能，仍要在软件的集成开发环境和硬件的仿真环境中进行调试。E进行实际硬件试验，一定要从硬件和软件两方面来考虑。硬件方面首先要确认硬件是否可用，包括芯片是否损坏，是否盗版，型号是否正确等，这是硬件试验最基本也是最重要的环节，我在试验过程中发现硬件在测试开始、中间及结束验收的任何环节都可能损坏，有人为因素，也有其他意外因素，特别是PIC芯片，我在试验中经常烧坏，要再买时很不方便，所以核心的器件要有备份。然后是准备好相应的外围电路，如开发板上指示灯开关，测试引脚开关，晶振选择开关，电源、下载器（如PIC的ICD2）、USB、串口线等。软件方面，最基本的是实际选用的硬件型号与软件中调试的型号一致，如PIC的SELECTDEVICE，然后是在软件中合理配置下载参数，如PIC的CONFIGURATION。414D/A转换电路的测试和结果（1）测试结果向DAC0832分别输出0X00和0XFF，D/A输出结果如图428、图429所示。图47数字量0X00的D/A转换结果图48数字量0XFF的D/A转换结果0X00对应的DA输出为0V，而0XFF对应的DA输出为5V，但都出现了不应有的突变，可用平滑滤波器滤除。415平滑滤波器的测试和结果与412抗混叠滤波器的测试和结果相同。416功率放大器的测试和结果（1）原理图图49功率放大器原理图（2）PCB版图图410功率放大器PCB版图结论通过学习研究无线对讲机的工作原理，利用运算放大器和单片机，完成了无线对讲机的语音基带信号单元的设计。然后用软件对各模块进行仿真，仿真结果很理想，均达到预期要求，成功完成了语音信号的基带传输。但在硬件实现上出现一些问题，前级的语音放大单元没有工作，导致没有语音信号的输入。只得采用固定频率和幅值的正弦信号进行一系列的测试，而A/D转换、串行输出、串行接收、D/A转换部分的功能均能实现。后来重新用面包板测试麦克风语音前置放大电路，达到了指标要求。最后进行功率放大时，芯片的温度较高，但电路可以正常工作，查手册后发现是由于芯片功耗大导致温度高，属正常现象。致谢语完成毕业论文的过程是一个人能得到的最好的学习经历之一,在此过程中我学习到了很多。本文是在老师的指导下完成的。导师渊博的知识、严谨的治学态度，耐心细心的作风和实事求是的精神使我印象深刻，受益匪浅。我非常荣幸能够得到老师的指导，老师阅历丰富、学术上成就卓著，对我更是关怀备至，指导有佳，无论在学习上还是在工作等其它方面，都给了我很大的帮助。老师严谨的治学态度，敏锐深邃的洞察力，以及平易近人循循善诱的作风，使我受益终生并将激励着我在今后的人生道路上奋进不息。在此谨向我的导师致以由衷的敬意和真诚的感谢在此，也衷心感谢教研室的全体老师，感谢你们在这四年来对我的细心栽培。感谢全体同学在平日生活和学习上给予我的帮助。同时，也要感谢我的亲人和朋友们。感谢他们在这四年的求学生活中一直默默支持着我，给予了我无限的理解、鼓励和关怀。参考文献1谢自美电子线路设计实验测试M第三版武汉华中科技大学出版社，20062王昊,李昕集成运放应用电路设计360例M北京电子工业出版社，20073谢嘉奎，宣月清电子线路非线性部分M第四版北京高等教育出版社,19991481504汪胜宁,程东红电子线路第四版教学指导书M北京高等教育出版社，20035郑君里