無線擴(kuò)音系統(tǒng)設(shè)計(jì)，ATmega8系列

無線擴(kuò)音系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，解決了實(shí)際工程中的布線和移動(dòng)使用的難題。無線傳輸方式也從傳統(tǒng)的U段、V段無線擴(kuò)音發(fā)展到今天的紅外線、藍(lán)牙和2.4 GHz頻段的無線數(shù)字傳輸方式。傳統(tǒng)的模擬信號無線擴(kuò)音設(shè)備發(fā)射器的使用會(huì)受到同頻、鄰頻或外界電波干擾，擴(kuò)音的回輸較大，而且高頻電波輻射大，擴(kuò)音回輸會(huì)對人的耳膜造成一定的傷害。音頻在數(shù)字信號傳輸過程中受干擾的可能性小、抗干擾能力強(qiáng)。數(shù)字無線擴(kuò)音系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于教學(xué)、會(huì)場、現(xiàn)代辦公、家居生活等領(lǐng)域。

工作于2.4 GHz的ISM。頻段有4億個(gè)可用地址碼，可通過跳頻詢址技術(shù)保證在同一場所同時(shí)使用而不串頻。發(fā)射信號的頻帶寬度大于所傳信息必需的最小帶寬，而頻帶的展寬是通過擴(kuò)展功能實(shí)現(xiàn)，與所傳信息數(shù)據(jù)無關(guān)，并只有發(fā)射器和接收器知道，在接收端則用相同的擴(kuò)頻碼進(jìn)行相關(guān)解調(diào)來解擴(kuò)及恢復(fù)所傳信息數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)被所有的跳頻點(diǎn)所攜帶，如果噪音沒有影響到所有的跳頻點(diǎn)，信息就可以被修復(fù)，一定條件下可以有多個(gè)系統(tǒng)在同一頻率范圍內(nèi)共存。文中介紹使用ATmega8 MCU和nRF24L01射頻收發(fā)器件進(jìn)行開發(fā)的無線智能跳頻數(shù)碼擴(kuò)音器設(shè)計(jì)方案。利用智能跳頻詢址技術(shù)，使發(fā)射機(jī)可更迅速地自動(dòng)被接收機(jī)識別，任意發(fā)射機(jī)可以匹配任意接收機(jī)，匹配后自動(dòng)鎖定直至發(fā)射機(jī)關(guān)閉或者離開無線電覆蓋范圍。在無障礙物的直線傳輸條件下輸出功率為5 W、發(fā)射和接收有效距離≤60 m。

1 系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由MCU、發(fā)射和接收系統(tǒng)構(gòu)成。音頻信號由發(fā)射端的前端信號處理電路放大后送往MCU內(nèi)部A/D進(jìn)行采樣，MCU將采樣所得數(shù)據(jù)打包通過RF模塊發(fā)送出去。接收端MCU從RF模塊讀取數(shù)據(jù)包，并將其送至MCU內(nèi)部的TIMER1進(jìn)行PWM調(diào)制，然后輸出至外部低通濾波器，最后還原得到相應(yīng)的音頻信號。系統(tǒng)原理如圖1所示。

1.1 主控MCU模塊

MCU選用AVR系列的ATmega8，其是基于增強(qiáng)AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega8的數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)1 MIPS/MHz，16 MHz時(shí)性能達(dá)16 MIPS，因此可緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。工作電壓2.7~5.5 V，內(nèi)部集成8路10位ADC、SPI串行接口、16位帶PWM調(diào)制輸出的定時(shí)器、512 Byte的EEPROM。其內(nèi)部資源能滿足發(fā)射端和接收端MCU的要求

1.2 RF模塊

nRF24L01是一款新型單片射頻收發(fā)器件，工作于2.4~2.5 cHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，并融合了增強(qiáng)型ShockBurst技術(shù)，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置?？蛇M(jìn)行地址及CRC檢驗(yàn)功能。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率發(fā)射時(shí)，工作電流9 mA;接收時(shí)，工作電流12.3 mA，多種低功率工作模式使節(jié)能設(shè)計(jì)更方便。收發(fā)雙方傳輸信號的載波按照預(yù)定規(guī)律進(jìn)行離散變化，以避開干擾、完成傳輸?？傊?，跳頻技術(shù)FHSS不是抑制干擾而是容忍干擾。由于載波頻率是跳變，具有抗高頻及部分帶寬干擾的能力，當(dāng)跳變的頻率數(shù)目足夠多和跳頻帶寬足夠?qū)挄r(shí)，其抗干擾能力較強(qiáng)。利用載波頻率的快速跳變，具有頻率分集的作用，從而使系統(tǒng)具有抗多徑衰落的能力。利用跳頻圖案的正交性可構(gòu)成跳頻碼分多址系統(tǒng)，共享頻譜資源，并具有承受過載的能力。

1.3 音頻放大

如圖2所示，該電路U5A、R8、C17、R7、R14、R9、R16、R13負(fù)責(zé)麥克風(fēng)輸入信號的放大，放大倍數(shù)為10倍。其中R8給麥克風(fēng)提供直流偏置，經(jīng)過C17耦合至運(yùn)放U5A。R7、R14、R9用于給運(yùn)放提供一個(gè)虛擬地。如果有3.5 mm的音頻信號接頭插入J5時(shí)，后續(xù)電路會(huì)斷開和前級放大的連接，從而實(shí)現(xiàn)MIC聲音和外部音頻輸入的切換。U5B、R11、R15、R17、R19、C21負(fù)責(zé)輸入MIC和外部音頻信號的放大，放大倍數(shù)為5倍，原理與前級放大相似。運(yùn)放選用LMV358，LMV358是一款Rail to Rail雙運(yùn)放，工作電壓在2.7~5 V，增益帶寬乘積為1 MHz，工作電流140μA，適合電池供電。

1.4 電源穩(wěn)壓

LDO選用PAM3101，為正向線性穩(wěn)壓器系列，其特色是低靜態(tài)電流和低壓降，是電池供電應(yīng)用的理想選擇。小體積SOT--23和SOT-89封裝對于便攜式和發(fā)射設(shè)備具有吸引力。熱關(guān)閉和電流限制可防止器件在極端的工作環(huán)境下失效。

2 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

2.1 發(fā)射端系統(tǒng)接口

如圖3所示，ATmega8通過SPI與NRF24L01連接。在對NRF24L01初始化之前，必須對IO口進(jìn)行初始化，方向寄存器DDR設(shè)置如圖上的箭頭所示。ATmega8工作頻率為16 MHz，故通過設(shè)置SPCR、SPSR寄存器讓SPI工作于時(shí)鐘加倍模式，可使SPI時(shí)鐘頻率達(dá)8 MHz。內(nèi)部A/D工作時(shí)鐘通過64分頻后為250 kHz;單次轉(zhuǎn)換周期為52μs;在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，采樣頻率約為20 kHz、8 bit精度。每次完成轉(zhuǎn)換后將觸發(fā)ADC中斷。電源部分作為電路的重要組成部分，其性能好壞直接影響輸出音質(zhì)。由于發(fā)射端RF模塊工作于發(fā)射狀態(tài)時(shí)瞬間電流較大，如果模擬器件和RF模塊使用同一LDO，則輸出音頻會(huì)受到嚴(yán)重干擾，故模擬器件和數(shù)字器件各自使用獨(dú)立LDO，力求將影響減到最小。

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