单工无线呼系统

单工无线呼叫系统2005年六组：祝成东陈方瑞王福军•任务设计并制作一个单工无线呼叫系统，实现主站至从站间的单工语音及数据传输业务。基本要求•（1）设计并制作一个主站，传送一路语音信号，其发射频率在30MHz~40MHz之间自行选择，发射峰值功率不大于20mW(50Ω假负载电阻上测定)，射频信号带宽及调制方式自定，主站传送信号的输入采用话筒和线路输入两种方式；•（2）设计并制作一个从站，其接收频率与主站相对应，从站必须采用电池组供电，用耳机收听语音信号；•（3）当传送信号为300Hz~3400Hz的正弦波时，去掉收、发天线，用一个功率衰减20dB左右的衰减器连接主、从站天线端子，通过示波器观察从站耳机两端的接收波形，波形应无明显失真；•（4）主、从站室内通信距离不小于5米，题目中的通信距离是指主、从站两设备(含天线)间的最近距离；•（5）主、从站收发天线采用拉杆天线或导线，长度小于等于1米。发挥部分•（1）从站数量扩展至8个(实际制作1个从站)，构成一点对多点的单工无线呼叫系统。要求从站号码可任意改变，主站具有拨号选呼和群呼功能；•（2）增加英文短信的数据传输业务，实现主站英文短信的输入发送和从站英文短信的接收显示功能；•（3）当发射峰值功率不大于20mW时，尽可能地加大主、从站间的通信距离。•（4）其他。1调制方式选择•方案一：采用调幅方式（AM），发端用音频调制载波，载波的包络即变为音频信号，收端利用包络检波技术恢复音频信号，若调制信号变为数字基带信号，则称为振幅键控（ASK）。其特点是调制后的载波占有带宽小，缺点是抗干扰能力较差。•方案二：采用调频方式（FM），发端用音频调制载波，载波的频率会随着调制信号的幅度变化而变化，收端利用鉴频器将调制信号恢复，对应的数字调制方式为频移键控（FSK）。其特点是占有带宽宽，但抗干扰能力明显优于AM方式。•综上，题目要求载频在30MHz~40MHz之间，可用AM方式，亦可用FM方式，考虑到要保证发挥第2项短信功能的正确性，系统必须有良好的抗干扰性，因此本系统采用FM方式实现2编码方案选择•方案一：采用常规的数字调制。所有的控制指令（单呼、群呼等）和英文短信的编码均为数字基带信号，将此基带信号稍做平滑后直接对载波进行调制，即FSK调制；收端解调后经整形恢复为数字基带信号，再做进一步处理。若采用此方案，必须在发端插入相应的帧同步字，发端进行相应的帧同步提取，才能保证数据传输的正确性和可靠性。•方案二：发端预先利用双音频编码器将欲传输的数据变为相应的双音频信号，然后进行调制，接收端经FM解调后的双音频信号，经双音频译码器翻译成相应的数字信号，送给CPU处理，从而实现相应的功能。•第一种方案传输可靠，但实现难度较大。第二种方案较容易实现，但每次只能传送四位二进制数，本系统采用两次传送一个英文字符的方法实现。3发射机方案选择•方案一：采用变容二极管和晶体管构成的石英晶体振荡器，使其振荡频率在30MHz—40MHz之间，调频后进行发射。•方案二：采用专用的调频发射芯片，如BA1404等，借助于外围的LC振荡回路来改变载波频率，从而实现调频。•方案三：采用MC145151锁相环集成电路，配合单管型压控振荡器实现，采用拨码开关控制MC145151的数据输入脚，从而控制VCO输出不同频率的载波，调试时只需把频率控制在30MHz—40MHz之间即可。•为了保证发射机发射载频的稳定度，同时也为了保证整个系统的稳定性，本系统采用方案三。4接收机方案选择•方案一：采用MC3362/MC3363等窄带调频接收专用芯片，该系列芯片接收信号的频偏典型值为3KHz，鉴频器的灵敏度较高，但解调后音质不如调频广播的音质好。•方案二：采用常规的调频广播收音机接收芯片（如CXA1691），调整本振频率，使得接收频率范围落在30MHz—40MHz之间。调频广播的典型频偏75KHz，音质动态范围好。•因为本系统采用双音频编码方案传输数据信号，所以一定要保证音频信号传输的不失真。本系统选用方案二。5英文短信输入键盘方案选择•方案一：采用矩阵键盘，采用矩阵式行列扫描方式，需要12个I/O就能完成，而且编写程序简单方便。•方案二：采用大屏幕液晶，采用移动光标的方式从所有字母中选择输入。该方案操作烦琐，而且加大了软件工作量。•方案三：采用市售的按键数大于30的红外遥控器，分析其码元信息，实现不同字母的输入，但是分析码元信息的程序较为复杂，增加了程序员的工作量。•经过对比，我们选择了方案一。详细软硬件设计本系统是由发射机和接收机构成的单工呼叫系统•发射机框图如图6.1，硬件连接图如图6.3，由主控单片机SPCE061A、锁相环频率合成器MC145151、•高频功放、双音频编码器、键盘、液晶显示模块、话筒放大电路等模块组成。接收机方框图如图6.2，硬件连接图如图6.3，由主控单片机、调频接收芯片（CXA1691）及其外围电路、双音频译码电路、音频功放、液晶显示终端等模块构成。接收机采用四节1.5V电池串联供电。主站控制单片机小系统电路该小系统以SPCE061A单片机为核心，小系统电路原理如图6.5所示。外围电路包括：4×4键盘，如图6.4所示，题目中发挥部分第1项群呼、单呼等命令以及0—9十个数字的输入由该键盘来完成；RT128×64点阵液晶构成人机接口，可显示英文、汉字、图标、图形等，并具有背光支持，以构成友好人机界面，来显示各种数据及接收到的短信，J3为液晶屏接口，调节RP1可以改变液晶显示的对比度。短信输入键盘方便快捷。DTMF双音频编码器•DTMF双音频编码器是用频率合成的方法来产生DTMF信号的，它的基准时基采用晶体振荡器，具有•频率稳定和精确度高、体积小、重量轻等特点。该部分原理图如图6.6。•在电路中，IOB0~IOB7为单片机送来的控制信号，HM9187输出的双音频组合共有16种情况，因此单片机送来的控制的信号亦共有16种情况，系统则利用这16状态来完成指令和短信的发送过程。原理如下：•SPCE061A单片机先将要发送的四位二进制码（共有16种状态）经相应转换，变为对HM9187的控•制码，双音频编码器将数字信号转换为两个频率的音频信号送至锁相环进行FM调制，由天线发出，接收•机经FM解调后，恢复出双音频信号，通过双音频译码器得到原有的数字信号送单片机处理。英文字符共•有26个加上0—9十个数字以及相应的控制指令，16种状态是远远不够的，我们利用合理的编码方案解决•了这一问题，这部分内容将在系统软件介绍中详细叙述。锁相频率合成器为了保证发射频率的稳定，系统采用锁相环电路来产生35.328MHz的载频。锁相频率合成器原理图如图6.7。（注意图中的“TORFMUL”指的是接到RF的放大模块）Q1、C2、D1、D2、L2等构成压控振荡器，当C2左端的直流电平发生变化，变容二极管D1、D2的容值发生变化，振荡器中心频率发生变化；U2及其外围元件构成了二阶有源环路滤波器，该电路的性能直接影响到环路是否能够入锁；因为MC145151最高工作频率为30MHz，不能满足题目要求，所以我们在电路中加入了前置分频器对RF反馈信号进行16分频后再送入锁相环芯片U1（MC145151），U1内部集成了参考分频器和可编程分频器，其参考频率由晶振Y振荡分频后产生，外部输入从其1脚输入，通过改变拨码开关S1的状态从而改变N0—N13的值使得可编程分频器的数值发生变化，从而改变环路的锁定频率。N的取值1104，N13至N0为（00010001010000）。R计数器，N计数器，各管脚接地为逻辑0，悬空为逻辑1。话筒放大电路•由于MIC出来的幅度不够，不足以使振荡电路产生足够大的频偏，所以我们用NE5532运放做为前置•放大器，放大倍数为10倍，实测效果良好，放大器电路图如图6.8所示。高频功率放大电路由于锁相环出来的幅度达不到要求，而且带负载能力不强，所以我们在后面加上高频功率放大器和一级射随器，增加频率的稳定度和提高输出功率。原理图如图6.9接收机小系统原理图调频接收模块的电路设计•如图（7）所示，采用索尼公司的收音机专用芯片CXA1691作高保真宽频接收机，振荡器采用50的晶体，其接收性能非常优越。芯片的4脚为直流音量控制端，改变该脚电位高低就可改变输出音量的大小。通过调节该变位器改变其双音频信号输出电压的幅值，使解码器MT8870能很准确地解码。它完全杜绝了采用传统音量控制电路因电位器不良而引起喇叭中嚓嚓声的通病，使的其输出的音频信号的电压很稳定。CXA1191的管脚功能及内部框图如下调频接收机原理图MT8870音频信号译码模块的电路设计•如图（8）示，将从高保真调频接收机接收下来的DTMF信号进行解码。由于MT8870的编码方式和HT9200B的编码方式完全一致，所以用MT8870配合编码部分使得系统的整和性很强，软件编程变得更加简单。当音频信号来到，被MT8870解码后，MT8870的15脚STD会由低电平向高电平跳变。将转换输出脚10硬件置高，打开输出锁存器，等待着解码后的信号输出。解码输出的二进制码由Q1—Q4输出后进入单片机，从而很好的完成解码的功能。键盘模块的电路设计•考虑到要增加英文短信的数据传输业务，若每个字母用一个键，就要用到很多单片机的I/O口，而单片机SPCE061的I/O口资源是有限的，所以采用矩阵式键盘。键盘模块原理图显示部分模块设计以及工作原理的分析采用RT12864液晶显示器，结合使用背光灯，使系统的人机交互更加人性化。发挥部分的设计与实现（1）从站数量扩展到8个模块采用4个拨码开关与单片机的4个I/O口相连进行设置从机的地址，只需要拨动拨码开关就可以改变丛机的地址。实现了实际只制作1个从站，就构成了一点对多点的单工无线呼叫。单片机只需要查询各个I拨码开关的状态边知道自己是几号机。（2）英文短信传输采用行列式键盘便可以实现英文数据传输业务。（3）增大主、从机间的通信距离在发射峰值功率不大于20时，将输入的音频信号进行放大后再发射，这样就可以增大主、从机之间的通信距离。系统软件设计单片机主站和从站的总流程图•主站：向所有的从机发送某个从机号码，要求该从机接收信号。主机的总流程图（如右图）。系统初始化读取键值确认呼叫呼叫所有从机是否有键按下Y选呼或群呼？N输入从站号选呼群呼•从站：接收来自主站的校验码和数据。从机总流程图（如右图）接收来自主站的机号校验码自身的机号？接收信号Y不接收信号NLCD显示系统的组装与调试