基于語(yǔ)音報(bào)警的雙向遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 全文

　　引言

　　遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)（remote keyless entry，RKE）方案對(duì)于汽車(chē)的配置來(lái)說(shuō)，已經(jīng)作為一種標(biāo)準(zhǔn)配置，成為汽車(chē)不可或缺的部分。遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)（RKE）對(duì)于提高汽車(chē)的防盜性、控制性有重要意義。大多數(shù)RKE系統(tǒng)具有汽車(chē)防盜、報(bào)警功能以及用于汽車(chē)、行李箱的門(mén)禁控制，其中一些系統(tǒng)還包括遙控啟動(dòng)汽車(chē)和汽車(chē)尋找的功能。以往設(shè)計(jì)的單向 RKE 系統(tǒng)是由一個(gè)控制端與一個(gè)執(zhí)行端組成。這種系統(tǒng)最大的不便是只有用戶發(fā)送信息給車(chē)門(mén)，而車(chē)門(mén)無(wú)法將自己的信息反饋給用戶，這就使得用戶無(wú)法知道車(chē)子的狀況，給車(chē)子的安全性帶來(lái)隱患。此外，由于系統(tǒng)是由電池供電，怎樣盡量降低功耗也是一個(gè)比較大的問(wèn)題。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于Nordic 的nRF401收發(fā)機(jī)實(shí)現(xiàn)的雙向RKE系統(tǒng)，同時(shí)采用語(yǔ)音芯片及其相應(yīng)的濾波放大電路，通過(guò)內(nèi)置的揚(yáng)聲器以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警。系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)兩種功能：當(dāng)用戶發(fā)送相應(yīng)命令時(shí)，車(chē)子自動(dòng)執(zhí)行上鎖、開(kāi)鎖功能，而當(dāng)用戶超出收發(fā)范圍時(shí)，主收發(fā)器能夠自動(dòng)的發(fā)送警告信息，通過(guò)語(yǔ)音的方式告知用戶已超出安全范圍。數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)功能采用nRF401芯片以實(shí)現(xiàn)；系統(tǒng)的語(yǔ)音報(bào)警功能采用ISD4004系列芯片。

　　nRF401功能介紹

　　nRF401是挪威Nordic VLSI公司最新推出的單芯片RF收發(fā)機(jī)，專為在433MHz ISM （工業(yè)、科研和醫(yī)療） 頻段工作而設(shè)計(jì)。它是目前集成度最高的無(wú)線數(shù)傳產(chǎn)品。該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK 調(diào)制、FSK解調(diào)、雙頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點(diǎn)。nRF401 的外圍元件很少，僅10個(gè)左右。只包括一個(gè)4MHz基準(zhǔn)晶振（可與MCU共享）、一個(gè)PLL環(huán)路濾波器和一個(gè)VCO電感，收發(fā)天線合一，沒(méi)有調(diào)試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來(lái)了極大的方便。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　nRF401采用20腳SSOIC封裝，內(nèi)部電路可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路幾部分。要發(fā)射的數(shù)據(jù)通過(guò)DIN端（第9 腳）輸入。射頻功率放大器具有高達(dá)+10 dBm輸出功率。接收電路包含有：低噪聲放大器，混頻器，F(xiàn)SK解調(diào)器，濾波器等電路。接收電路中，低噪聲放大器放大輸入的射頻信號(hào)，接收靈敏度-105 dBm。混頻器采用1級(jí)混頻結(jié)構(gòu)，混頻器的輸出信號(hào)經(jīng)中頻濾波器濾波后送入FSK解調(diào)器解調(diào)，解調(diào)后的數(shù)字信號(hào)在DOUT端（第10腳）輸出。

　　ISD4004系列語(yǔ)音芯片功能介紹

　　ISD4004芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、平滑濾波器、自動(dòng)靜噪、音頻放大器以及多電平閃速存儲(chǔ)器陣列，該芯片為非易失性器件 （nonvolatile），無(wú)需電源可保存數(shù)據(jù)長(zhǎng)達(dá)100年，記錄時(shí)間長(zhǎng)，有8、10、12、16分鐘多種芯片，重復(fù)記錄可100000次。芯片設(shè)計(jì)是基于所有操作必須由微控制器控制，通過(guò)SPI總線和處理器相連，外圍電路簡(jiǎn)單。

　　ISD4004語(yǔ)音芯片不但可以完成錄音過(guò)程也可以完成放音過(guò)程。本文所討論的語(yǔ)音報(bào)警器主要是指裝在用戶隨身攜帶的上位機(jī)的放音電路中，不包含錄音電路。而在實(shí)際應(yīng)用中，錄音部分預(yù)先將收錄內(nèi)容存儲(chǔ)到語(yǔ)音芯片中，并分配一個(gè)特定的播音地址，當(dāng)需要報(bào)警時(shí)只需要讀取該播音首地址，隨即報(bào)警信息就由語(yǔ)音芯片通過(guò)揚(yáng)聲器自動(dòng)播放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)即時(shí)報(bào)警。

　　系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

　　雙向RKE系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩大部分組成。其中上位機(jī)是用戶隨身攜帶的，可以理解為一種帶報(bào)警功能的遙控鑰匙，而下位機(jī)是安裝在車(chē)門(mén)內(nèi)的，用于開(kāi)啟車(chē)門(mén)。整個(gè)雙向RKE系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

　　系統(tǒng)主要分為兩部分：無(wú)線收發(fā)部分和放音部分。其中核心控制器采用ATMEL公司生產(chǎn)的MCU AT89C52，它通過(guò)異步串行口與射頻模塊建立聯(lián)系。 其中射頻收發(fā)芯片nRF401的12腳為通道選擇：CS =“0”為通道#1（433.9 MHz），CS =“1”為通道#2（434.33MHz）；18腳為電源開(kāi)關(guān)：

　　PWR UP =“1”為工作模式，PWR UP =“0”為待機(jī)模式；19腳為發(fā)射允許：TXEN =“ 1”為發(fā)射模式；TXEN =“0”為接收模式。它們可以分別與MCU的I/O口P1.2，P1.3和P1.4相連，用于這些控制位工作狀態(tài)的選擇，而數(shù)據(jù)輸入位DIN和數(shù)據(jù)輸出位則可以分別與單片機(jī)的異步串行口TXD和RXD相連，這樣MCU就可以控制射頻芯片的收發(fā)時(shí)序了。

　　放音部分由于采用的芯片為ISD4004，其供電電壓為3V，而單片機(jī)的所需供電電壓為5V，因此它們之間互連需要經(jīng)過(guò)一定的電平轉(zhuǎn)換電路。單片機(jī)的P1.6通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路接ISD4004的片選引腳/SS，控制ISD4004是否選通；P1.7通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路接ISD4004的串行輸入引腳MOSI，從該引腳讀入放音的地址；P3.2和P3.3分別通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路接ISD4004的串行時(shí)鐘引腳SCLK和中斷引腳/INT；AMCAP為自動(dòng)靜音端，使用時(shí)通過(guò)一電容接地；ISD4004芯片所需要的連接還有音頻信號(hào)輸出引腳AUDOUT，該引腳通過(guò)一個(gè)濾波放大電路與揚(yáng)聲器連接，放音電路原理如圖4所示，其中由于單片機(jī)的四個(gè)引腳要與語(yǔ)音芯片相連，故需要圖中所示的電平轉(zhuǎn)換電路為4個(gè)（這里頭只畫(huà)出一個(gè)）。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　通信協(xié)議

　　雙向RKE主要由上位機(jī)和下位機(jī)組成，要實(shí)現(xiàn)上鎖/開(kāi)鎖功能及安全報(bào)警功能，就必須完成上位機(jī)和下位機(jī)之間的無(wú)線數(shù)據(jù)通信。整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)部分都是服務(wù)于無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸這個(gè)目的。所以，在整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中， 無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸為最主要部分。無(wú)線傳輸以數(shù)據(jù)幀的方式進(jìn)行，數(shù)據(jù)幀的格式如表1所示。

　　前導(dǎo)碼主要是用于防止有用數(shù)據(jù)被干擾；車(chē)子ID主要用來(lái)標(biāo)志特定車(chē)子的信息，以便正確的辨認(rèn)，如果ID不匹配，數(shù)據(jù)幀就會(huì)被忽略；信息碼是用來(lái)表示用戶的操作，這些操作包括上鎖、開(kāi)鎖、顯示警報(bào)等。當(dāng)用戶發(fā)送相應(yīng)命令時(shí)，就分別執(zhí)行上鎖、開(kāi)鎖，而當(dāng)用戶超出收發(fā)范圍時(shí)，主收發(fā)器能夠自動(dòng)的發(fā)送警告信息；校驗(yàn)和則用于檢驗(yàn)接收的數(shù)據(jù)是否正確，當(dāng)不正確時(shí)，需重發(fā)數(shù)據(jù)幀。

　　系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

　　由于整個(gè)RKE系統(tǒng)為一雙向進(jìn)行的系統(tǒng)，數(shù)據(jù)終端和主收發(fā)器之間的通信是雙工的，所以在實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，數(shù)據(jù)的傳輸方向也是不斷變化的。為此，要實(shí)現(xiàn)雙方協(xié)調(diào)通信，就必須設(shè)計(jì)出一個(gè)比較適合的收發(fā)次序。其上位機(jī)收發(fā)流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后，上位機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)到上位機(jī)發(fā)射一個(gè)按鍵命令時(shí)，就表示用戶要進(jìn)行某種特定的操作，同時(shí)將操作信息送到揚(yáng)聲器，通過(guò)聲音的方式向用戶告知要進(jìn)行的操作，此時(shí)上位機(jī)就打開(kāi)發(fā)射器，發(fā)送相應(yīng)的信息碼 （如開(kāi)鎖、上鎖等），而其它時(shí)候上位機(jī)都處于接收狀態(tài)，如果沒(méi)有接收到下位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的地址碼，上位機(jī)此時(shí)就可以判斷用戶此時(shí)處于發(fā)送接收范圍之外，于是通過(guò)P1.7讀入放音地址將要預(yù)先存儲(chǔ)在上位機(jī)中的報(bào)警信息，由揚(yáng)聲器發(fā)出語(yǔ)音信號(hào)向用戶告警。如果上位機(jī)沒(méi)有收到下位機(jī)發(fā)送回來(lái)的ACK（正確回應(yīng)信號(hào)），此時(shí)上位機(jī)會(huì)要求用戶再次按鍵，知道收到ACK命令，此時(shí)下位機(jī)才執(zhí)行相應(yīng)操作。

　　而下位機(jī)在系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，然后就打開(kāi)接收機(jī)以判斷是否有用戶在按鍵發(fā)布命令，如果沒(méi)有檢測(cè)到按鍵命令，下位機(jī)就打開(kāi)發(fā)射機(jī)，不斷的發(fā)送地址碼給上位機(jī)，以確定雙方是否在通信范圍之內(nèi)，用以提示用戶。而當(dāng)檢測(cè)到按鍵命令時(shí)，下位機(jī)首先將上位機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的操作信息碼進(jìn)行校驗(yàn)，如果檢驗(yàn)不正確，就要求用戶重新按鍵；如果檢驗(yàn)正確，就發(fā)送ACK命令，以確認(rèn)用戶的操作是有效的。通過(guò)這種方式，可以有效的實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的雙向通信，這樣雙向RKE系統(tǒng)就可以穩(wěn)定的工作，其下位機(jī)收發(fā)流程圖如圖5所示。

　　結(jié)語(yǔ)

　　采用射頻芯片nRF401、AT89C52 MCU及語(yǔ)音芯片ISD4004構(gòu)成的雙向RKE系統(tǒng)，可以更直觀的讓用戶通過(guò)語(yǔ)音的一種方式來(lái)表達(dá)所執(zhí)行的命令，使系統(tǒng)變得方便實(shí)用。同時(shí)，系統(tǒng)中所選用的芯片都是功耗較低的，這對(duì)于用電池供電的上位機(jī)來(lái)講非常重要。此外，所選用的芯片的尺寸都非常的小，MCU與nRF401以及ISD4004之間的接口都非常的簡(jiǎn)單，不需要太多的外圍電路，這在某種程度上有利于系統(tǒng)的集成，方便用戶的隨身攜帶。在此系統(tǒng)基礎(chǔ)上，如果在車(chē)門(mén)里再加一個(gè)壓力傳感器，這樣就可以極大的防止車(chē)子遭到人為的破壞，更一步的提高車(chē)子的安全性。此外該系統(tǒng)還可應(yīng)用在其它的場(chǎng)合，如數(shù)字語(yǔ)音通信、無(wú)線遙控防盜門(mén)、智能無(wú)線抄表等等領(lǐng)域，可以得到極大的推廣。