基于STC8G1K08信標(biāo)信號(hào)板設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)介

第十五屆智能車競(jìng)賽中的信標(biāo)組別使用了新的聲音信標(biāo)^[1]作為車模導(dǎo)引信號(hào)。如何在新版信標(biāo)還沒有正式出品之前就開始車模信號(hào)接收和處理模塊的調(diào)試是很多同學(xué)關(guān)心的問(wèn)題。

在之前，同學(xué)們通過(guò)音箱播放信標(biāo)Chirp音頻^[2]文件來(lái)模擬信標(biāo)發(fā)出的聲音，調(diào)試相應(yīng)的麥克風(fēng)陣列。這種方式比較簡(jiǎn)單，但還是缺少信標(biāo)中的調(diào)頻無(wú)線發(fā)送的同步音頻信號(hào)，這使得信標(biāo)的檢測(cè)精度降低，響應(yīng)速度緩慢了。

下面介紹一種使用一款八管腳（SOP8封裝）單片機(jī) STC8G1K08來(lái)制作簡(jiǎn)化版的信標(biāo)信號(hào)板，用于車模的調(diào)試。

功能定義

根據(jù)信標(biāo)導(dǎo)航信號(hào)^[3]的要求，信號(hào)板需要具有以下四個(gè)方面的功能：

1. 能夠產(chǎn)生符合要求的Chirp信號(hào)^[4]，來(lái)驅(qū)動(dòng)音頻功放通過(guò)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音；并通過(guò)調(diào)頻信號(hào)發(fā)送同步無(wú)線信號(hào)；

2. 發(fā)送調(diào)頻無(wú)線信號(hào)，提供給車模接收同步音頻信號(hào)；并作無(wú)線導(dǎo)航。

3. 驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)送Chirp聲音信號(hào)。

4. 與信標(biāo)控制板連接，檢測(cè)控制板上的脈沖信號(hào)控制信號(hào)發(fā)送；

為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，信號(hào)板只需要能夠產(chǎn)生Chirp信號(hào)，并通過(guò)調(diào)頻無(wú)線發(fā)送即可。使用一個(gè)普通的調(diào)頻收音機(jī)接收調(diào)頻無(wú)線信號(hào)，并發(fā)出Chirp聲響，作為實(shí)際信標(biāo)的位置。通過(guò)外部連接一個(gè)開關(guān)來(lái)確定是否發(fā)出聲響。

如果調(diào)試多個(gè)信標(biāo)時(shí)，可以使用多個(gè)調(diào)頻收音機(jī)，分別放在不同的地點(diǎn)。有人工打開或者關(guān)閉，模擬多個(gè)信標(biāo)導(dǎo)航的情形。

電路設(shè)計(jì)

1. STC8G1K08單片機(jī)資源

STC8G1K08單片機(jī)，SOP8封裝，除了電源（VCC），底線（GND）之外，其余管腳都可以使用，除了可以做普通的IO之外，還可以為內(nèi)部的AD，TIMER，SPI， I2C，CCP等模塊提供外部端口。

用于發(fā)送調(diào)頻無(wú)線信號(hào)的QN8027^[5]使用I2C總線控制，使用到8G1K的I2C總線接口（P3.3:SDA, P3.2:SCL）。

由于8G1K08沒有DA輸出，可以使用其內(nèi)部CCP模塊產(chǎn)生PWM（P5.4:CCP2）信號(hào)，通過(guò)低通濾波來(lái)產(chǎn)生Chirp模擬信號(hào)。

輸入端口P5.5(INT3)可以用于判斷外部的開關(guān)信號(hào)確定是否發(fā)送信號(hào)。

最后還剩下UART的兩個(gè)引腳，可以用于芯片程序下載。并作為普通的IO口來(lái)使用。

2. STC8G1K08 MCU板設(shè)計(jì)

（1） 無(wú)線調(diào)頻電路：

無(wú)線調(diào)頻電路包括調(diào)頻信號(hào)發(fā)生IC（QN8027）電路以及無(wú)線信號(hào)功率放大部分。調(diào)頻信號(hào)發(fā)生采用了QN8027集成電路設(shè)計(jì)，大大減少了外圍電路設(shè)計(jì)以及調(diào)試過(guò)程。使用12MHz晶體提供標(biāo)準(zhǔn)的參考振蕩頻率。從單片機(jī)輸出的Chirp信號(hào)經(jīng)過(guò)RA1,RA2分壓之后，形成大約峰峰值為1V的模擬信號(hào)加在音頻雙聲道輸入端口ALI（PIN10），ARI（PIN9）。

產(chǎn)生的調(diào)頻信號(hào)通過(guò)電容C6耦合到高頻三極管T1(9018)進(jìn)行功率放大輸出，輸出射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)電容C3耦合到天線。

（2）PWM低通濾波電路：

由8G1K08產(chǎn)生的PWM信號(hào)，需要經(jīng)過(guò)低通濾波形成模擬信號(hào)。為了提高信號(hào)的質(zhì)量，需要提高PWM的頻率 以及PWM的控制占空比的位數(shù) 。在單片機(jī)主頻 一定的情況下，這兩個(gè)參數(shù)相互牽連，它們之間滿足：

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，上述參數(shù)為：

設(shè)計(jì)RC低通濾波器的截止頻率比 低一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。取C=0.1uF，R=220Ω，那么低通濾波器的截止頻率為：

（3）電源電路：

由于QN8027只能工作在3.3V電壓下。8G1k08單片機(jī)可以工作的電壓范圍比較寬，但是為了能夠工作在35MHz的主頻下，其電壓VCC需要等于5V。另外，為了提高調(diào)頻信號(hào)發(fā)射功率，電路的工作電壓也需要更好一些。最后選擇VCC= 5V。

因此需要單獨(dú)使用一個(gè)3.3V的穩(wěn)壓芯片為AN8027提供電源。此外使用電阻-二極管鉗位電路將單片機(jī)I2C的5V信號(hào)轉(zhuǎn)換成3.3V信號(hào)接入QN8027。

（4）原理圖總圖：

完整的電路原理圖如下圖所示：

（5）PCB設(shè)計(jì)：

下圖給出了快速制版布置的PCB版圖，以及焊接之后的測(cè)試電路板。在調(diào)頻無(wú)線輸出端口，使用一條20厘米的多股銅絲線作為天線。

電路板下面有六針插座，便于在面包板上完成調(diào)試。調(diào)試完之后，便可以通過(guò)該接口連接工作電源以及外部的控制信號(hào)了。

六針的定義為：

電路功能調(diào)試

1. PWM輸出

下圖實(shí)測(cè)在PWM設(shè)置為0x1f，輸出為50%時(shí)，PWM波形以及對(duì)應(yīng)的頻率。

2. Chirp信號(hào)

設(shè)置單片機(jī)TIMER0，產(chǎn)生10kHz的中斷，在中斷程序中交替發(fā)送0.2048秒的Chirp信號(hào)以及0.2048秒的靜音。

Chirp信號(hào)數(shù)據(jù)是建立在程序區(qū)中的2048字節(jié)長(zhǎng)度的表格，預(yù)先通過(guò)PYTHON語(yǔ)言生成6bit的數(shù)據(jù)。

Chirp生成的公式為：

然后將x[n]轉(zhuǎn)化成0~63的整形數(shù)。

下面是經(jīng)過(guò)RC低通濾波之后的Chirp音頻模擬信號(hào)。

3. 射頻信號(hào)

使用DSA815頻譜儀，外接一根拉桿天線，接收到信號(hào)板發(fā)送的調(diào)頻無(wú)線信號(hào)，頻譜的中心在95.1MHz。

調(diào)頻信號(hào)的強(qiáng)度大于本地調(diào)頻廣播的無(wú)線信號(hào)10倍以上，即使該信號(hào)與調(diào)頻廣播電臺(tái)重疊，信號(hào)板發(fā)送的調(diào)頻信號(hào)也能夠壓制住調(diào)頻廣播電臺(tái)的信號(hào)。

下面是通過(guò)調(diào)頻收音機(jī)在95.1MHz接收到的音頻信號(hào)。

參考資料