一种射频收发芯片的交通状况提示装置设计

　　引言

　　本交通状况提示装置采用调频收发技术，调频收发广泛地运用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线抄表、门禁系统、小区传呼、工业数据采集系统、无线标签、身份识别、非接触RF智能卡、小型无线数据终端、安全防火系统、无线遥控系统、生物信号采集、水文气象监控、机器人控制、无线232数据通信、无线485/422数据通信、数字音频、数字图像传输等领域中。调频收发的工作频率为431MHz to 478MHz，采用声表谐振器SAW稳频，频率稳定度极高，当环境温度在－25～＋85度之间变化时，频飘仅为3ppm/度。特别适合多发一收无线遥控及数据传输系统。声表谐振器的频率稳定度仅次于晶体，而一般的LC振荡器频率稳定度及一致性较差，即使采用高品质微调电容，温差变化及振动也很难保证已调好的频点不会发生偏移。

　　本系统主要是针对Silicon Lab公司推出的Si4721系列芯片设计的，对于其他系列的产品稍加改动即可。

　　1 Si4721单芯片射频收发器简介

　　Si472x功能框图如图1所示。

　　Si472x系列主要包含Si4720和Si4721，都是20引脚QFN封装，支持调频信号76 MHz～108 MHz全波段收发，且可全频段自动搜索及频率自锁定，工作电压2.7～5.5 V均适用。其设计与Si473x AM／FM广播接收器、Si470x FM广播接收器，以及Si471x FM发射器解决方案相兼容。由于这种兼容性，单一PCB设计可以无缝支持所有这些产品。与单片机通信时，可使用与I2C兼容的2-Wire、3-Wire 及SPI接口方式。

　　Si472x系列芯片内部集成有功能完备的ADC及DAC部件，外部音频信号可直接输入芯片发射出去，同时接收到的音频信号加放大器后，可驱动扬声器播放。Si472x这款全新的单芯片FM广播收发器充分利用了独特的射频技术，在集成与性能方面实现了又创新。它支持客户在简化系统设计、降低产品成本的同时，进一步改善了消费者的听觉体验。Si472x支持模拟和数字音频接口，并提供诸如录制FM广播作为铃声等特性。由于不再使用多余的数据转换器，这种数字音频接口还可降低系统功耗、延长电池的使用时间。另外，Si472x FM收发器针对便携式应用进行了优化，具有可接收FM广播信号，以及从设备至任何FM接收器创建无线音频连接的能力。它也是支持调频广播收发一体的可支持小型化天线的系列芯片。

　　2 道路交通状况提示装置工作原理

　　本装置主要包含1个微控制器、1个单芯片FM收发器、1个可存储和可实时录入多段语音信息的语音电路、功率放大电路及音频放大电路。系统总体设计框图如图2所示。

　　系统以Silicon Labs公司的C8051F310为控制。单芯片FM收发器采用大规模集成芯片Si4721实现，可通过编程控制使其分别工作在接收或发射模式。语音模块采用集成录放音芯片ISD2560，可实现录制和存储针对各种交通状况的语音提示信息（如车牌号码、车辆故障停车、道路阻塞或维修等）；同时可切换录音话筒直接对外喊话（如车辆着火有爆炸危险、车祸后人员被困无法出来等状况）。该装置集接收和发送于一体。默认状态处于接收，可接收周围150 m远的车辆发来的语音提示或报警信号，通过扬声器循环播放，以便驾驶员作出相应调整。当车辆遇故障抛锚，或碰到能见度低的雨雾天气时，通过单片机选中语音芯片中事先存储好的语音信号地址，调出其中存储的语音内容，然后按下发送按键，向周围车辆发送，并自动开启车内危险报警闪光灯，做到多种方式提醒后方来车小心驾驶。

　　当遇道路阻塞、道路维修时，按下相应按钮，打开语音模块的实时录入功能，录入阻塞道路名称或维修道路名称等相应信息（例如：“某某路段现处于赛车高峰，请各车辆绕道而行”），按下发送按钮，便可以向周围车辆发送该信号，以便其他车辆及时做出择道选择。

　　3 系统硬件设计

　　3.1 收发器硬件设计

　　单芯片FM收发器采用Si4721芯片，接口电路如图3所示。

　　Si4721通过I2C总线兼容的2-Wire工作模式与单片机通信。单片机通过指令控制Si4721工作在发射模式或接收模式，从语音电路输出的语音信号输入Si4721，经过Si4721内部射频电路及天线发射出去。单片机通过发送接收模式指令使Si4721工作在接收模式。

　　3.2 微控制器硬件设计

　　微控制器是将微型计算机的主要部分集成在一个芯片上的单芯片微型计算机。微控制器诞生于20世纪70年代中期，经过20多年的发展，其成本越来越低，而性能越来越强大，这使其应用已经无处不在，遍及各个领域。例如电机控制、条码阅读器／扫描器、消费类电子、游戏设备、电话、HVAC、楼宇安全与门禁控制、工业控制与自动化和白色家电（洗衣机、微波炉）等。微控制器（Microcontroller Unit，即MCU）可从不同方面进行分类：根据数据总线宽度可分为8位、16位和32位机；根据存储器结构可分为Harvard结构和Von Neumann结构；根据内嵌程序存储器的类别可分为OTP、掩膜、EPROM/EEPROM和闪存Flash；根据指令结构又可分为CISC（Complex Instruction Set Computer）和RISC（Reduced Instruction Set Computer）微控制器。

　　系统采用单片机C8051F310控制。C8051F31x器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，能实现51系列单片机的所有功能，并且速度快、性能好。选用这款功能强大单片机的目的是为了给整个系统后续发展打下基础，便于系统功能后续升级及扩展。

　　C8051F310使用Silicon Labs公司的CIP-51微控制器内核，有29个I／O引脚（3个8位口和1个5位口），端口的工作情况与标准8051相似，但有一些改进。每个端口引脚都可以被配置为模拟输入或数字I／O，数字交叉开关允许将内部数字系统资源映射到端口I／O引脚。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器／定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出以及微控制器内部的其他数字信号配置为出现在端口I／O引脚。

　　CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或 24个系统时钟周期，系统时钟频率为12～24 MHz。而对于CIP-51内核，70％的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。CIP-51共有111 条指令。CIP-51工作在系统时钟频率25 MHz时，它的峰值速度达到25MIPS。

　　3.3 语音录放电路硬件设计

　　将语音信号通过采样转化为数字，存储在IC的ROM中，再通过电路将ROM中的数字还原成语音信号。 　　普通语音芯片放音功能实质上是一个DAC过程，而ADC过程资料是由电脑完成，其中包括对语音信号的采样、压缩、EQ等处理。语音电路采用ISD2560语音芯片，通过单片机控制其功能引脚CE、PD和P／R，实现对麦克风采集的音频信号的录入及处理，然后输出信号至Si4721收发器。同时访问地址线，可以存储多段录音。图4是语音电路原理。

　　单片语音录放集成电路ISD2560，可实现多段信息处理的多功能语音录放，可存储语音信号段数为600段，每段可录音时间为60 s，能重复录放达10万次。芯片采用多电平直接模拟量存储技术，省去了A／D、D／A转换器。每个采样值直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。

　　3.4 射频功率放大电路硬件设计

　　射频功率放大采用的是50～850 MHz的功放芯片SBB-2089，其实功率增益可达20 dB，目前收发距离可达150 m左右，比较适于交通状况提示所用。在无委会允许情况下，也可进一步扩大接收距离。功率放大电路如图5所示。

　　4 系统软件流程

　　由于系统默认为接收状态，所以接收程序中只需直接POWER UP，它对应的命令为0x01；若需转入发射状态，则需先切换到POWER DOWN状态，再重新POWERUP。Si472x收发程序流程如图6所示，系统程序流程如图7所示。

　　5 系统性能测试、评价与展望

　　5.1 测试环境

　　测试时采用两套装置，12 V镍锰电池供电。一套用于发射，另一套用于接收。在校园较空旷的林荫道上测试距离达150 m以上，语音清晰，且传输距离可调。

　　5.2 性能测试及评价

　　经测试，整个系统功能完整，传输距离和语音质量等各项性能达到设计要求。以下是详细测试情况：

　　①可准确接收周边150 m以上车辆告警信号；

　　②接收到的语音信号清晰悦耳；

　　③可实时录入阻塞道路名称或维修道路名称，然后发送出去；

　　④按键延时检测确认发送功能，有效避免误发送；

　　⑤可实现多段语音录放管理；

　　⑥紧急情况可实时直接对外喊话；

　　⑦可根据需要自动开启车内危险报警闪光灯；

　　⑧便捷的交互接口，液晶显示操作提示，使得操作更加方便。

　　目前所用发射端功放为小功率功放，如加大功放，发射传输距离可达500 m或者更远。

　　结 语

　　此技术除了用于道路交通状况提示以外，只要加以修改加工还可用于其他用途，如对讲机、门铃、遥控器等。本技术可应用面广，在本产品中还未能体现其所有功能，我们今后的发展方向，争取将此产品更加完善。

　　关于Silicon Lab公司简介

　　Silicon Laboratories公司（纳斯达克股票代码： 3048 ）是一个行业的创新，高性能模拟密集型混合信号集成电路。混合信号集成电路的模拟使我们生活的世界互动与数码世界的计算在客户产品，如机顶盒，电视机，和手机。发达国家的世界一流的工程团队， Silicon Labs的不同组合的高度集成，易于使用的解决方案的设计的CMOS ，广泛地提供工艺技术，使重大的一体化优势而不牺牲性能。总部设在德克萨斯州奥斯汀市， Silicon Labs公司是一家性企业，经营，销售和设计活动，世界各地。成立于1996年的原则，不断创新和坚实的执行， Silicon Labs的强大的业务基础和良好的记录已造成持续增长的整个公司的历史。Silicon Labs的产品都与特定的应用一般用途的产品包括高性能的混合信号8位微控制器，广播音频和视频解决方案， ISOmodem ?嵌入式调制解调器，道ProSLIC ?用户线接口电路，硅直接访问安排（ DAAs ）及钟表和振荡器。这些解决方案，提供一系列广泛的应用市场，包括消费性，通讯，计算机，工业和汽车。