【導讀】第十五屆智能車競賽中的信標組別使用了新的聲音信標[1]作為車模導引信號。如何在新版信標還沒有正式出品之前就開始車模信號接收和處理模塊的調(diào)試是很多同學關心的問題。
在之前，同學們通過音箱播放信標Chirp音頻[2]文件來模擬信標發(fā)出的聲音，調(diào)試相應的麥克風陣列。這種方式比較簡單，但還是缺少信標中的調(diào)頻無線發(fā)送的同步音頻信號，這使得信標的檢測精度降低，響應速度緩慢了。
下面介紹一種使用一款八管腳（SOP8封裝）單片機 STC8G1K08來制作簡化版的信標信號板，用于車模的調(diào)試。
功能定義
根據(jù)信標導航信號[3]的要求，信號板需要具有以下四個方面的功能：
1. 能夠產(chǎn)生符合要求的Chirp信號[4]，來驅(qū)動音頻功放通過揚聲器發(fā)出聲音；并通過調(diào)頻信號發(fā)送同步無線信號；
2. 發(fā)送調(diào)頻無線信號，提供給車模接收同步音頻信號；并作無線導航。
3. 驅(qū)動揚聲器發(fā)送Chirp聲音信號。
4. 與信標控制板連接，檢測控制板上的脈沖信號控制信號發(fā)送；
為了簡化設計，信號板只需要能夠產(chǎn)生Chirp信號，并通過調(diào)頻無線發(fā)送即可。使用一個普通的調(diào)頻收音機接收調(diào)頻無線信號，并發(fā)出Chirp聲響，作為實際信標的位置。通過外部連接一個開關來確定是否發(fā)出聲響。
如果調(diào)試多個信標時，可以使用多個調(diào)頻收音機，分別放在不同的地點。有人工打開或者關閉，模擬多個信標導航的情形。
電路設計
1. STC8G1K08單片機資源
STC8G1K08單片機，SOP8封裝，除了電源（VCC），底線（GND）之外，其余管腳都可以使用，除了可以做普通的IO之外，還可以為內(nèi)部的AD，TIMER，SPI， I2C，CCP等模塊提供外部端口。
用于發(fā)送調(diào)頻無線信號的QN8027[5]使用I2C總線控制，使用到8G1K的I2C總線接口（P3.3:SDA, P3.2:SCL）。
由于8G1K08沒有DA輸出，可以使用其內(nèi)部CCP模塊產(chǎn)生PWM（P5.4:CCP2）信號，通過低通濾波來產(chǎn)生Chirp模擬信號。
輸入端口P5.5(INT3)可以用于判斷外部的開關信號確定是否發(fā)送信號。
最后還剩下UART的兩個引腳，可以用于芯片程序下載。并作為普通的IO口來使用。
▲ STC8G1K08端口功能配置
2. STC8G1K08 MCU板設計
（1） 無線調(diào)頻電路：
無線調(diào)頻電路包括調(diào)頻信號發(fā)生IC（QN8027）電路以及無線信號功率放大部分。調(diào)頻信號發(fā)生采用了QN8027集成電路設計，大大減少了外圍電路設計以及調(diào)試過程。使用12MHz晶體提供標準的參考振蕩頻率。從單片機輸出的Chirp信號經(jīng)過RA1,RA2分壓之后，形成大約峰峰值為1V的模擬信號加在音頻雙聲道輸入端口ALI（PIN10），ARI（PIN9）。
▲ FM電路設計
產(chǎn)生的調(diào)頻信號通過電容C6耦合到高頻三極管T1(9018)進行功率放大輸出，輸出射頻信號經(jīng)過電容C3耦合到天線。
（2）PWM低通濾波電路：
由8G1K08產(chǎn)生的PWM信號，需要經(jīng)過低通濾波形成模擬信號。為了提高信號的質(zhì)量，需要提高PWM的頻率fPWM以及PWM的控制占空比的位數(shù)bPWM。在單片機主頻fOSC一定的情況下，這兩個參數(shù)相互牽連，它們之間滿足：
在實際設計中，上述參數(shù)為：
設計RC低通濾波器的截止頻率比fPWM低一個數(shù)量級左右。取C=0.1uF，R=220Ω，那么低通濾波器的截止頻率為：
（3）電源電路：
由于QN8027只能工作在3.3V電壓下。8G1k08單片機可以工作的電壓范圍比較寬，但是為了能夠工作在35MHz的主頻下，其電壓VCC需要等于5V。另外，為了提高調(diào)頻信號發(fā)射功率，電路的工作電壓也需要更好一些。最后選擇VCC= 5V。
因此需要單獨使用一個3.3V的穩(wěn)壓芯片為AN8027提供電源。此外使用電阻-二極管鉗位電路將單片機I2C的5V信號轉(zhuǎn)換成3.3V信號接入QN8027。
▲ 電源電路與I2C總線接口電路
（4）原理圖總圖：
完整的電路原理圖如下圖所示：
▲ 原理圖設計
（5）PCB設計：
下圖給出了快速制版布置的PCB版圖，以及焊接之后的測試電路板。在調(diào)頻無線輸出端口，使用一條20厘米的多股銅絲線作為天線。
▲ PCB設計電路圖
電路板下面有六針插座，便于在面包板上完成調(diào)試。調(diào)試完之后，便可以通過該接口連接工作電源以及外部的控制信號了。
六針的定義為：
電路功能調(diào)試
1. PWM輸出
下圖實測在PWM設置為0x1f，輸出為50%時，PWM波形以及對應的頻率。
▲ CCP2上的PWM波形輸出
2. Chirp信號
設置單片機TIMER0，產(chǎn)生10kHz的中斷，在中斷程序中交替發(fā)送0.2048秒的Chirp信號以及0.2048秒的靜音。
Chirp信號數(shù)據(jù)是建立在程序區(qū)中的2048字節(jié)長度的表格，預先通過PYTHON語言生成6bit的數(shù)據(jù)。
Chirp生成的公式為：
然后將x[n]轉(zhuǎn)化成0~63的整形數(shù)。
下面是經(jīng)過RC低通濾波之后的Chirp音頻模擬信號。
▲ PWM濾波后的Chirp信號
3. 射頻信號
使用DSA815頻譜儀，外接一根拉桿天線，接收到信號板發(fā)送的調(diào)頻無線信號，頻譜的中心在95.1MHz。
▲ 信號板發(fā)送的調(diào)頻無線信號的頻譜
調(diào)頻信號的強度大于本地調(diào)頻廣播的無線信號10倍以上，即使該信號與調(diào)頻廣播電臺重疊，信號板發(fā)送的調(diào)頻信號也能夠壓制住調(diào)頻廣播電臺的信號。
下面是通過調(diào)頻收音機在95.1MHz接收到的音頻信號。
▲ 調(diào)頻收音機接收到的信號
參考資料
[1] 聲音信標: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104231420
[2] 信標Chirp音頻: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105575349
[3] 信標導航信號: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105004283
[4] Chirp信號: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105762739
[5] QN8027: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104710034
本文涉及到的硬件和軟件資源可以在CSDN中下載：
BEACONSTC8G1K08.zip
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