引言
本交通狀況提示裝置采用調(diào)頻收發(fā)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)在道路發(fā)生交通事故、道路阻塞或能見(jiàn)度低的雨霧天氣等情況下，向周圍車輛發(fā)送提醒信號(hào)，并自動(dòng)開(kāi)啟車內(nèi)危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈，提醒后方來(lái)車，同時(shí)，在高峰易賽車路段，可向周圍車輛及時(shí)傳達(dá)路況信息。本裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，便于每輛汽車上安裝。
本系統(tǒng)主要是針對(duì)Silicon Lab公司推出的Si4721系列芯片設(shè)計(jì)的，對(duì)于其他系列的產(chǎn)品稍加改動(dòng)即可，其設(shè)計(jì)思路基本相同且引腳兼容。
1 Si4721單芯片射頻收發(fā)器簡(jiǎn)介
Si472x功能框圖如圖1所示。
Si472x系列主要包含Si4720和Si4721，都是20引腳QFN封裝，支持調(diào)頻信號(hào)76 MHz～108 MHz全波段收發(fā)，且可全頻段自動(dòng)搜索及頻率自鎖定，工作電壓2．7～5．5 V均適用。其設(shè)計(jì)與Si473x AM／FM廣播接收器、Si470x FM廣播接收器，以及Si471x FM發(fā)射器解決方案相兼容。由于這種兼容性，單一PCB設(shè)計(jì)可以無(wú)縫支持所有這些產(chǎn)品。與單片機(jī)通信時(shí)，可使用與I2C兼容的2-Wire、3-Wire 及SPI接口方式。Si4721與Si4720的主要不同點(diǎn)是，Si4721內(nèi)部有RDS／RBDS處理器，是一款支持歐洲廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)(RDS)和美國(guó)無(wú)線廣播數(shù)據(jù)系統(tǒng)(RBDS)的單芯片F(xiàn)M廣播收發(fā)器。
Si472x系列芯片內(nèi)部集成有功能完備的ADC及DAC部件，外部音頻信號(hào)可直接輸入芯片發(fā)射出去，同時(shí)接收到的音頻信號(hào)加放大器后，可驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器播放。Si472x這款全新的單芯片F(xiàn)M廣播收發(fā)器充分利用了獨(dú)特的射頻專業(yè)技術(shù)，在集成與性能方面實(shí)現(xiàn)了又一次創(chuàng)新。它支持客戶在簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、降低產(chǎn)品成本的同時(shí)，進(jìn)一步改善了消費(fèi)者的聽(tīng)覺(jué)體驗(yàn)。Si472x支持模擬和數(shù)字音頻接口，并提供諸如錄制FM廣播作為鈴聲等特性。由于不再使用多余的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，這種數(shù)字音頻接口還可降低系統(tǒng)功耗、延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。另外，Si472x FM收發(fā)器針對(duì)便攜式應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，具有可接收FM廣播信號(hào)，以及從設(shè)備至任何FM接收器創(chuàng)建無(wú)線音頻連接的能力。它也是支持調(diào)頻廣播收發(fā)一體的可支持小型化天線的系列芯片。由于采用了小型化天線，Si472x系列芯片可以很方便地設(shè)置在許多便攜式設(shè)備PCB板中，包括有藍(lán)牙功能的設(shè)備。因?yàn)樗?PCB空間極小，可以省去外置天線帶來(lái)的許多不便。
2 道路交通狀況提示裝置工作原理
本裝置主要包含1個(gè)核心微控制器、1個(gè)單芯片F(xiàn)M收發(fā)器、1個(gè)可存儲(chǔ)和可實(shí)時(shí)錄入多段語(yǔ)音信息的語(yǔ)音電路、功率放大電路及音頻放大電路。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。
系統(tǒng)以Silicon Labs公司的C8051F310為控制核心。單芯片F(xiàn)M收發(fā)器采用大規(guī)模集成芯片Si4721實(shí)現(xiàn)，可通過(guò)編程控制使其分別工作在接收或發(fā)射模式。語(yǔ)音模塊采用集成錄放音芯片ISD2560，可實(shí)現(xiàn)錄制和存儲(chǔ)針對(duì)各種交通狀況的語(yǔ)音提示信息(如車牌號(hào)碼、車輛故障停車、道路阻塞或維修等)；同時(shí)可切換錄音話筒直接對(duì)外喊話(如車輛著火有爆炸危險(xiǎn)、車禍后人員被困無(wú)法出來(lái)等狀況)。該裝置集接收和發(fā)送于一體。默認(rèn)狀態(tài)處于接收，可接收周圍150 m遠(yuǎn)的車輛發(fā)來(lái)的語(yǔ)音提示或報(bào)警信號(hào)，通過(guò)揚(yáng)聲器循環(huán)播放，以便駕駛員作出相應(yīng)調(diào)整。當(dāng)車輛遇故障拋錨，或碰到能見(jiàn)度低的雨霧天氣時(shí)，通過(guò)單片機(jī)選中語(yǔ)音芯片中事先存儲(chǔ)好的語(yǔ)音信號(hào)地址，調(diào)出其中存儲(chǔ)的語(yǔ)音內(nèi)容(例如：“車牌號(hào)為xxxxxxx的車輛因故障靠邊停車，后方來(lái)車請(qǐng)小心駕駛!”)，然后按下發(fā)送按鍵，向周圍車輛發(fā)送，并自動(dòng)開(kāi)啟車內(nèi)危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈，做到多種方式提醒后方來(lái)車小心駕駛。
當(dāng)遇道路阻塞、道路維修時(shí)，按下相應(yīng)按鈕，打開(kāi)語(yǔ)音模塊的實(shí)時(shí)錄入功能，錄入阻塞道路名稱或維修道路名稱等相應(yīng)信息(例如：“某某路段現(xiàn)處于賽車高峰，請(qǐng)各車輛繞道而行”)，按下發(fā)送按鈕，便可以向周圍車輛發(fā)送該信號(hào)，以便其他車輛及時(shí)做出擇道選擇。
當(dāng)遇車輛發(fā)生車禍被困車內(nèi)等緊急情況，可打開(kāi)實(shí)時(shí)喊話功能，通過(guò)麥克風(fēng)輸入電路直接對(duì)外進(jìn)行喊話，然后通過(guò)收發(fā)模塊發(fā)射出去，并自動(dòng)開(kāi)啟車內(nèi)危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3．1 收發(fā)器硬件設(shè)計(jì)
單芯片F(xiàn)M收發(fā)器采用Si4721芯片，接口電路如圖3所示。芯片工作頻率由外部32．768 kHz晶振提供，分別接入RCLK和DCLK引腳。
Si4721通過(guò)I2C總線兼容的2-Wire工作模式與單片機(jī)通信。單片機(jī)通過(guò)指令控制Si4721工作在發(fā)射模式或接收模式，從語(yǔ)音電路輸出的語(yǔ)音信號(hào)輸入Si4721，經(jīng)過(guò)Si4721內(nèi)部射頻電路及天線發(fā)射出去。單片機(jī)通過(guò)發(fā)送接收模式指令使Si4721工作在接收模式。設(shè)定相關(guān)頻段，從天線接收到的信號(hào)經(jīng)過(guò)Si4721最終從揚(yáng)聲器輸出。
3．2 微控制器硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F310控制。C8051F31x器件是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU芯片，能實(shí)現(xiàn)51系列單片機(jī)的所有功能，并且速度快、性能好。選用這款功能強(qiáng)大單片機(jī)的目的是為了給整個(gè)系統(tǒng)后續(xù)發(fā)展打下基礎(chǔ)，便于系統(tǒng)功能后續(xù)升級(jí)及擴(kuò)展。
C8051F310使用Silicon Labs公司的專利CIP-51微控制器內(nèi)核，有29個(gè)I／O引腳(3個(gè)8位口和1個(gè)5位口)，端口的工作情況與標(biāo)準(zhǔn)8051相似，但有一些改進(jìn)。每個(gè)端口引腳都可以被配置為模擬輸入或數(shù)字I／O，數(shù)字交叉開(kāi)關(guān)允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源映射到端口I／O引腳。可通過(guò)設(shè)置交叉開(kāi)關(guān)控制寄存器將片內(nèi)的計(jì)數(shù)器／定時(shí)器、串行總線、硬件中斷、比較器輸出以及微控制器內(nèi)部的其他數(shù)字信號(hào)配置為出現(xiàn)在端口I／O引腳。這一特性允許用戶根據(jù)自己的特定應(yīng)用選擇通用端口 I／O和所需數(shù)字資源的組合。片內(nèi)Silicon Labs二線(C2)開(kāi)發(fā)接口允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。
CIP-51采用流水線結(jié)構(gòu)，與標(biāo)準(zhǔn)的8051結(jié)構(gòu)相比指令執(zhí)行速度有很大的提高。在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或 24個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為12～24 MHz。而對(duì)于CIP-51內(nèi)核，70％的指令的執(zhí)行時(shí)間為1或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，只有4條指令的執(zhí)行時(shí)間大于4個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期。CIP-51共有111 條指令。CIP-51工作在最大系統(tǒng)時(shí)鐘頻率25 MHz時(shí)，它的峰值速度達(dá)到25MIPS。
3．3 語(yǔ)音錄放電路硬件設(shè)計(jì)
語(yǔ)音電路采用ISD2560語(yǔ)音芯片，通過(guò)單片機(jī)控制其功能引腳CE、PD和P／R，實(shí)現(xiàn)對(duì)麥克風(fēng)采集的音頻信號(hào)的錄入及處理，然后輸出信號(hào)至Si4721收發(fā)器。同時(shí)訪問(wèn)地址線，可以存儲(chǔ)多段錄音。圖4是語(yǔ)音電路原理。
單片語(yǔ)音錄放集成電路ISD2560，可實(shí)現(xiàn)多段信息處理的多功能語(yǔ)音錄放，最大可存儲(chǔ)語(yǔ)音信號(hào)段數(shù)為600段，每段可錄音時(shí)間為60 s，能重復(fù)錄放達(dá)10萬(wàn)次。芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)專利技術(shù)，省去了A／D、D／A轉(zhuǎn)換器。每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)單個(gè)EEPROM單元中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。ISD2560集成度較高，內(nèi)部包括前置放大器、內(nèi)部時(shí)鐘、定時(shí)器、采樣時(shí)鐘、濾波器、自動(dòng)增益控制、邏輯控制、模擬收發(fā)器、解碼器和480 KB的EPROM等。
3．4 射頻功率放大電路硬件設(shè)計(jì)
射頻功率放大采用的是50～850 MHz的功放芯片SBB-2089，其實(shí)功率增益可達(dá)20 dB，目前收發(fā)距離可達(dá)150 m左右，比較適于交通狀況提示所用。在無(wú)委會(huì)允許情況下，也可進(jìn)一步擴(kuò)大接收距離。功率放大電路如圖5所示。
4 系統(tǒng)軟件流程
由于系統(tǒng)默認(rèn)為接收狀態(tài)，所以接收程序中只需直接POWER UP，它對(duì)應(yīng)的命令為0x01；若需轉(zhuǎn)入發(fā)射狀態(tài)，則需先切換到POWER DOWN狀態(tài)，再重新POWERUP。Si472x收發(fā)程序流程如圖6所示，系統(tǒng)程序流程如圖7所示。
5 系統(tǒng)性能測(cè)試、評(píng)價(jià)與展望
5．1 測(cè)試環(huán)境
測(cè)試時(shí)采用兩套裝置，12 V鎳錳電池供電。一套用于發(fā)射，另一套用于接收。在校園較空曠的林蔭道上測(cè)試距離達(dá)150 m以上，語(yǔ)音清晰，且傳輸距離可調(diào)(若無(wú)委會(huì)允許可以做得更遠(yuǎn))。在實(shí)際使用中，可用車載點(diǎn)煙器輸出的12 V供電。
5．2 性能測(cè)試及評(píng)價(jià)
經(jīng)測(cè)試，整個(gè)系統(tǒng)功能完整，傳輸距離和語(yǔ)音質(zhì)量等各項(xiàng)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。以下是詳細(xì)測(cè)試情況：
①可準(zhǔn)確接收周邊150 m以上車輛告警信號(hào)；
②接收到的語(yǔ)音信號(hào)清晰悅耳；
③可實(shí)時(shí)錄入阻塞道路名稱或維修道路名稱，然后發(fā)送出去；
④按鍵延時(shí)檢測(cè)確認(rèn)發(fā)送功能，有效避免誤發(fā)送；
⑤可實(shí)現(xiàn)多段語(yǔ)音錄放管理；
⑥緊急情況可實(shí)時(shí)直接對(duì)外喊話；
⑦可根據(jù)需要自動(dòng)開(kāi)啟車內(nèi)危險(xiǎn)報(bào)警閃光燈；
⑧便捷的交互接口，液晶顯示操作提示，使得操作更加方便。
目前所用發(fā)射端功放為小功率功放，如加大功放，發(fā)射傳輸距離可達(dá)500 m或者更遠(yuǎn)。
結(jié) 語(yǔ)
此技術(shù)除了用于道路交通狀況提示以外，只要加以修改加工還可用于其他用途，如對(duì)講機(jī)、門鈴、遙控器等。本技術(shù)可應(yīng)用面廣，在本產(chǎn)品中還未能體現(xiàn)其所有功能，我們今后的發(fā)展方向，爭(zhēng)取將此產(chǎn)品更加完善。