无线智能扩音器电路设计.pdf

无线智能扩音器电路设计 无 线扩音系统的广泛应用，解决了实际工程中的布线和移动使用的难题。无线 传输方式也从传统的U段、V段无线扩音发展到今天的红外线、蓝牙和2.4GHz 频段 的无线数字传输方式。音频在数字信号传输过程中受干扰的可能性小、抗 干扰能力强，可广泛应用于教学、会场、现代办公、家居生活等领域。 本文介绍用ATmega8 MCU和nRF24L01射频收发器件进行开发的无线智能跳频数 码扩音器设计方案。利用智能跳频询址技术，使发射机可更迅速地自动被接收机 识别，任意发射 机可以匹配任意接收机，匹配后自动锁定直至发射机关闭或者 离开无线电覆盖范围。在无障碍物的直线传输条件下输出功率为5 W、发射和接 收有效距离≤60 m。 系统分析与设计 系统由MCU、发射和接收系统构成。音频信号由发射端的前端信号处理电路放大 后送往MCU 内部A／D进行采样，MCU将采样所得数据打包通过RF模块发送 出 去。接收端MCU从RF模块读取数据包，并将其送至MCU 内部的TIMER1进行PWM 调制，然后输出至外部低通滤波器，最后还原得到相应的音频信号。 系统原理 如图1所示。 图1 系统原理图 （1）主控MCU模块 MCU选用AVR系列的ATmega8，其是基于增强AVR RISC结构的低功耗8位CMOS 微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8的数据 吞吐率达1 MIPS／MHz，16 MHz 时性能达16 MIPS，因此可缓减系统在功耗和处 理速度之间的矛盾。工作电压2．7～5．5V，内部集成8路10位ADC、SPI 串行接 口、16位带PWM调制输出的定时器、512 Byte 的EEPROM。其内部资源能满足发 射端和接收端MCU 的要求。 （2） RF模块 nRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2．4～2．5 cHz ISM频段。内 置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型 ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进 行配置。可进行地址 及CRC检验功能。nRF24L01功耗低，在以-6 dBm的功率发射时，工作电流9 mA； 接收时，工作电流12．3mA，多种低功率工作模式使节能设计更方便。收发双方 传输信号的载波按照预定规律进行离散变化，以避开干扰、完成传输。总之，跳 频技术FHSS不是抑制干 扰而是容忍干扰。由于载波频率是跳变，具有抗高频及 部分带宽干扰的能力，当跳变的频率数目足够多和跳频带宽足够宽时，其抗干扰 能力较强。利用载波频率的快 速跳变，具有频率分集的作用，从而使系统具有 抗多径衰落的能力。利用跳频图案的正交性可构成跳频码分多址系统，共享频谱 资源，并具有承受过载的能力。 （3） 音频放大 如图2所示，该电路U5A、R8、C17、R7、R14、R9、R16、R13负责麦克风输入信 号的放大，放大倍数为10倍。其中R8给麦克风提供直流偏 置，经过C17耦合至 运放U5A。R7、R14、R9用于给运放提供一个虚拟地。如果有3．5mm 的音频信号 接头插入J5时，后续电路会断开和前级放大的连接，从而实现MIC声音和外部 音频输入的切换。U5B、R11、R15、R17、R19、 C21负责输入MIC和外部音频信 号的放大，放大倍数为5倍，原理与前级放大相似。运放选用LMV358，LMV358是 一款Rail to Rail双运放，工作电压在2．7～5 V，增益带宽乘积为1 MHz，工 作电流140μA，适合电池供电。 图2 音频信号放大电路 （4 ）电源稳压 LDO选用PAM3101，为正向线性稳压器系列，其特色是低静态电流和低压降，是 电池供电应用的理想选择。小体积SOT--23和SOT-89封装对于便携式和发射设备 具有吸引力。热关闭和电流限制可防止器件在极端的工作环境下失效。 系统接口设计 （1） 发射端系统接口 如图3所示，ATmega8通过SPI与NRF24L01连接。在对NRF24L01初始化之前，必 须对IO 口进行初始化，方向寄存器DDR设置如图上的 箭头所示。ATmega8工作 频率为16 MHz，故通过设置SPCR、SPSR寄存器让SPI工作于时钟加倍模式，可 使SPI时钟频率达8 MHz。内部A／D工作时钟通过64分频后为250 kHz；单次转 换周期为52μs；在连续转换模式下，采样频率约为20 kHz、8 bit精度。每次 完成转换后将