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簡(jiǎn)介

第十五屆智能車(chē)競(jìng)賽中的信標(biāo)組別使用了新的聲音信標(biāo)[1]作為車(chē)模導(dǎo)引信號(hào)。如何在新版信標(biāo)還沒(méi)有正式出品之前就開(kāi)始車(chē)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(xiàn)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(chē)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：

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(xiàn)信號(hào)；

發(fā)送調(diào)頻無(wú)線(xiàn)信號(hào)，提供給車(chē)模接收同步音頻信號(hào)；并作無(wú)線(xiàn)導(dǎo)航。

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

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(xiàn)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(xiàn)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(kāi)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(kāi)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(xiàn)（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(xiàn)信號(hào)的 QN8027[5]使用 I2C 總線(xiàn)控制，使用到 8G1K 的 I2C 總線(xiàn)接口（P3.3:SDA, P3.2:SCL）。

由于 8G1K08 沒(méi)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(kāi)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。

▲ STC8G1K08 端口功能配置

2. STC8G1K08 MCU 板設(shè)計(jì)

（1）無(wú)線(xiàn)調(diào)頻電路：

無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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）。

▲ FM 電路設(shè)計(jì)

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(xiàn)。

（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(mǎn)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。

▲ 電源電路與 I2C 總線(xiàn)接口電路

（4）原理圖總圖：

完整的電路原理圖如下圖所示：

▲ 原理圖設(shè)計(jì)

（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(xiàn)輸出端口，使用一條 20 厘米的多股銅絲線(xiàn)作為天線(xiàn)。

▲ PCB 設(shè)計(jì)電路圖

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：

序號(hào)	功能	描述
1	VCC	工作電源+5V
2	GND	電源地
3	TXD	MCU 串口輸出
4	RXD	MCU 串口輸入
5	INT3	開(kāi)關(guān)量輸入，控制信號(hào)板工作
6	CHIRP	音頻信號(hào)輸出，內(nèi)阻 200 歐姆

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。

▲ CCP2 上的 PWM 波形輸出

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)。

▲ PWM 濾波后的 Chirp 信號(hào)

3. 射頻信號(hào)

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

▲ 信號(hào)板發(fā)送的調(diào)頻無(wú)線(xiàn)信號(hào)的頻譜

調(diào)頻信號(hào)的強(qiáng)度大于本地調(diào)頻廣播的無(wú)線(xiàn)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)。

▲ 調(diào)頻收音機(jī)接收到的信號(hào)