在之前，同學們通過音箱播放信標Chirp音頻^[2]wenjianlaimonixinbiaofachudeshengyin，tiaoshixiangyingdemaikefengzhenlie。zhezhongfangshibijiaojiandan，danhaishiqueshaoxinbiaozhongdetiaopinwuxianfasongdetongbuyinpinxinhao
，zheshidexinbiaodejiancejingdujiangdi
，xiangyingsuduhuanmanle。

 

下麵介紹一種使用一款八管腳（SOP8封裝）單片機 STC8G1K08來製作簡化版的信標信號板
，用於車模的調試。

 

功能定義

 

根據信標導航信號^[3]的要求

，信號板需要具有以下四個方麵的功能：

 

1. 能夠產生符合要求的Chirp信號^[4]，來驅動音頻功放通過揚聲器發出聲音；並通過調頻信號發送同步無線信號；

2. 發送調頻無線信號，提供給車模接收同步音頻信號；並作無線導航。

3. 驅動揚聲器發送Chirp聲音信號。

4. 與信標控製板連接，檢測控製板上的脈衝信號控製信號發送；

 

為了簡化設計，信號板隻需要能夠產生Chirp信號，並通過調頻無線發送即可。使用一個普通的調頻收音機接收調頻無線信號，並發出Chirp聲響
，作為實際信標的位置。通過外部連接一個開關來確定是否發出聲響。

 

如果調試多個信標時
，可以使用多個調頻收音機，分別放在不同的地點。有人工打開或者關閉，模擬多個信標導航的情形。

 

電路設計

 

1. STC8G1K08單片機資源

 

STC8G1K08單片機，SOP8封裝，除了電源（VCC）
，底線（GND）之外

，其餘管腳都可以使用，除了可以做普通的IO之外，還可以為內部的AD
，TIMER
，SPI， I²C，CCP等模塊提供外部端口。

 

用於發送調頻無線信號的QN8027^[5]使用I2C總線控製

，使用到8G1K的I2C總線接口（P3.3:SDA, P3.2:SCL）。

 

由於8G1K08沒有DA輸出，可以使用其內部CCP模塊產生PWM（P5.4:CCP2）信號，通過低通濾波來產生Chirp模擬信號。

 

輸入端口P5.5(INT3)可以用於判斷外部的開關信號確定是否發送信號。

 

最後還剩下UART的兩個引腳，可以用於芯片程序下載。並作為普通的IO口來使用。

 

▲ STC8G1K08端口功能配置

 

2. STC8G1K08 MCU板設計

 

（1） 無線調頻電路：

 

無線調頻電路包括調頻信號發生IC（QN8027）電路以及無線信號功率放大部分。調頻信號發生采用了QN8027集成電路設計
，大大減少了外圍電路設計以及調試過程。使用12MHz晶體提供標準的參考振蕩頻率。從單片機輸出的Chirp信號經過RA1,RA2分壓之後
，形成大約峰峰值為1V的模擬信號加在音頻雙聲道輸入端口ALI（PIN10），ARI（PIN9）。

 

▲ FM電路設計

 

產生的調頻信號通過電容C6耦合到高頻三極管T1(9018)進行功率放大輸出，輸出射頻信號經過電容C3耦合到天線。

 

（2）PWM低通濾波電路：

 

由8G1K08產生的PWM信號，需要經過低通濾波形成模擬信號。為了提高信號的質量，需要提高PWM的頻率f_PWM以及PWM的控製占空比的位數b_PWM。在單片機主頻f_OSC一定的情況下，這兩個參數相互牽連，它們之間滿足：

 

 

在實際設計中，上述參數為：

 

 

設計RC低通濾波器的截止頻率比f_PWM低一個數量級左右。取C=0.1uF，R=220Ω
，那麼低通濾波器的截止頻率為：

 

 

（3）電源電路：

 

由於QN8027隻能工作在3.3V電壓下。8G1k08單片機可以工作的電壓範圍比較寬，但是為了能夠工作在35MHz的主頻下，其電壓VCC需要等於5V。另外
，為了提高調頻信號發射功率
，電路的工作電壓也需要更好一些。最後選擇VCC= 5V。

 

因此需要單獨使用一個3.3V的穩壓芯片為AN8027提供電源。此外使用電阻-二極管鉗位電路將單片機I2C的5V信號轉換成3.3V信號接入QN8027。

 

▲ 電源電路與I2C總線接口電路

 

（4）原理圖總圖：

 

完整的電路原理圖如下圖所示：

 

▲ 原理圖設計

 

（5）PCB設計：

 

下圖給出了快速製版布置的PCB版圖，以及焊接之後的測試電路板。在調頻無線輸出端口
，使用一條20厘米的多股銅絲線作為天線。

 

▲ PCB設計電路圖

 

電路板下麵有六針插座，便於在麵包板上完成調試。調試完之後
，便可以通過該接口連接工作電源以及外部的控製信號了。

 

六針的定義為：

 

 

電路功能調試

 

1. PWM輸出

 

下圖實測在PWM設置為0x1f
，輸出為50%時
，PWM波形以及對應的頻率。

 

▲ CCP2上的PWM波形輸出

 

2. Chirp信號

 

設置單片機TIMER0
，產生10kHz的中斷，在中斷程序中交替發送0.2048秒的Chirp信號以及0.2048秒的靜音。

 

Chirp信號數據是建立在程序區中的2048字節長度的表格
，預先通過PYTHON語言生成6bit的數據。

 

Chirp生成的公式為：

 

 

然後將x[n]轉化成0~63的整形數。

 

下麵是經過RC低通濾波之後的Chirp音頻模擬信號。

 

▲ PWM濾波後的Chirp信號

 

3. 射頻信號

 

使用DSA815頻譜儀，外接一根拉杆天線，接收到信號板發送的調頻無線信號，頻譜的中心在95.1MHz。

 

▲ 信號板發送的調頻無線信號的頻譜

 

調頻信號的強度大於本地調頻廣播的無線信號10倍以上，即使該信號與調頻廣播電台重疊，信號板發送的調頻信號也能夠壓製住調頻廣播電台的信號。

 

下麵是通過調頻收音機在95.1MHz接收到的音頻信號。

 

▲ 調頻收音機接收到的信號

 

參考資料

 

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

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

[3] 信標導航信號: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105004283

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

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

 

本文涉及到的硬件和軟件資源可以在CSDN中下載：

 

BEACONSTC8G1K08.zip

 

 

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