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

2020/04/27
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簡介

第十五屆智能車競賽中的信標(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)心的問題。

在之前,同學(xué)們通過音箱播放信標(biāo) Chirp 音頻[2]文件來模擬信標(biāo)發(fā)出的聲音,調(diào)試相應(yīng)的麥克風(fēng)陣列。這種方式比較簡單,但還是缺少信標(biāo)中的調(diào)頻無線發(fā)送的同步音頻信號(hào),這使得信標(biāo)的檢測精度降低,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 來制作簡化版的信標(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:

能夠產(chǎn)生符合要求的 Chirp 信號(hào)[4],來驅(qū)動(dòng)音頻功放通過揚(yáng)聲器發(fā)出聲音;并通過調(diào)頻信號(hào)發(fā)送同步無線信號(hào);

發(fā)送調(diào)頻無線信號(hào),提供給車模接收同步音頻信號(hào);并作無線導(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,檢測控制板上的脈沖信號(hào)控制信號(hào)發(fā)送;

為了簡化設(shè)計(jì),信號(hào)板只需要能夠產(chǎn)生 Chirp 信號(hào),并通過調(diào)頻無線發(fā)送即可。使用一個(gè)普通的調(diào)頻收音機(jī)接收調(diào)頻無線信號(hào),并發(fā)出 Chirp 聲響,作為實(shí)際信標(biāo)的位置。通過外部連接一個(gè)開關(guān)來確定是否發(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),通過低通濾波來產(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 口來使用。

▲ STC8G1K08 端口功能配置

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2. STC8G1K08 MCU 板設(shè)計(jì)

(1) 無線調(diào)頻電路

無線調(diào)頻電路包括調(diào)頻信號(hào)發(fā)生 IC(QN8027)電路以及無線信號(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 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)

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產(chǎn)生的調(diào)頻信號(hào)通過電容 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 總線接口電路

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(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)

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(5)PCB 設(shè)計(jì):

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

▲ PCB 設(shè)計(jì)電路圖

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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

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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)長度的表格,預(yù)先通過 PYTHON 語言生成 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 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)

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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)頻無線信號(hào),頻譜的中心在 95.1MHz。

▲ 信號(hào)板發(fā)送的調(diào)頻無線信號(hào)的頻譜

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調(diào)頻信號(hào)的強(qiáng)度大于本地調(diào)頻廣播的無線信號(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)

參考資料

[1]聲音信標(biāo): https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104231420

[2]信標(biāo) Chirp 音頻: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105575349

[3]信標(biāo)導(dǎo)航信號(hào): https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105004283

[4]Chirp 信號(hào): https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105762739

[5]QN8027: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104710034

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公眾號(hào)TsinghuaJoking主筆。清華大學(xué)自動(dòng)化系教師,研究興趣范圍包括自動(dòng)控制、智能信息處理、嵌入式電子系統(tǒng)等。全國大學(xué)生智能汽車競賽秘書處主任,技術(shù)組組長,網(wǎng)稱“卓大大”。