光變聲

為何變？

今年智能車競賽中的信標(biāo)組的導(dǎo)引信號發(fā)生了改變，由原來的光，變成了聲（還有射頻信號），除了傳承智能車競賽賽題永遠(yuǎn)在變化的傳統(tǒng)，還有阻斷…（此處省略三千字）。

傳統(tǒng)的信標(biāo)組發(fā)送的引導(dǎo)信標(biāo)主要通過紅色可見光、紅外光做引導(dǎo)。它們的規(guī)格可以參見文檔“全國大學(xué)生智能車競賽信標(biāo)組規(guī)格說明”。

在新版的信標(biāo)比賽中，對于信標(biāo)的改造主要包括兩個方面：

去掉原有的紅色、紅外的導(dǎo)航信號，將內(nèi)部的的發(fā)光盤拿掉。同時可以省去為了視覺識別的燈罩，以減少在比賽過程中被高速行駛的車模撞擊損毀的幾率。

增加兩種導(dǎo)航信號：（1）聲音信號；（2）射頻信號；

關(guān)于聲音定位的相關(guān)實驗博文可以參見：

（1）根據(jù)聲音信號測量距離

（2）直線軌道上聲音延遲信號分析

（3）如果提高聲音測距的分辨率？

（4）影響聲音定位的幾個因素

（5）聲音定位的距離誤差到底有多高？

（6）聲音定位硬件電路

（7）滑軌聲源定向的理論模型與參數(shù)估計

（8）AMP328音頻放大器

（9）室外聲音信標(biāo)可行性分析

（10）聲音大小對于測距數(shù)值的影響

（11）基于STM32F103RE ADDA板制作

（12）聲音測距

（13）關(guān)于聲音信標(biāo)的提問

關(guān)于射頻信號的發(fā)送和接收相關(guān)實驗博文可以參見：

（1）QN8027性能調(diào)試

（2）信標(biāo)的調(diào)頻發(fā)送

（3）調(diào)頻立體聲

（4）小型化RDA5807調(diào)頻收音模塊實驗板

（5）單片調(diào)頻收音機

（6）使用AD9833諧波發(fā)送調(diào)頻廣播

關(guān)于揚聲器驅(qū)動電路相關(guān)博文：

（1）音頻功放L2726

（2）AMP328音頻放大器

下面就介紹一下如何將傳統(tǒng)信標(biāo)中的發(fā)光LED板修改成新版的信標(biāo)電路。

如何變？

原有信標(biāo)的發(fā)光燈板與底座控制器之間是通過兩個接口相同的雙排8PIN插座相連接。兩個插座功能是重復(fù)的，主要是為了保證發(fā)光LED燈板與控制板之間的插接牢靠，同時滿足發(fā)光LED燈大電流的需要。

接口的原理圖、PCB版圖如下圖所示：

接口具有四種信號：

新的信標(biāo)接口板可以通過接口上的工作電源和地線獲得工作電源。通過LED驅(qū)動信號可以得到開始和停止工作的狀態(tài)。

在紅色LED驅(qū)動信號實際上是驅(qū)動LED功率MOS的漏極。如果使用R=10kΩ上拉電阻到單片機的工作電源，在信標(biāo)點亮的時候，可以測量得到10Hz的方波信號。在紅外LED的接口信號上可以得到帶有40kHz調(diào)制的脈沖信號。具體波形參加下面示波器測量結(jié)果。

在制作新的信標(biāo)信號產(chǎn)生板的時候，使用紅色LED（也就是接口5,6中的信號）相對比較簡單。

根據(jù)聲音信標(biāo)的功能以及與主控板的接口約束，定義聲音信號發(fā)送電路板的功能框圖如下圖所示：

框圖包括有五個部分：

核心的單片機板：主要完成Chirp信號的產(chǎn)生，判斷主控電路版的紅色LED的方波信號來確定信號的發(fā)送與接收。通過I2C總線控制調(diào)頻信號的工作頻率，工作狀態(tài)。通過DA控制發(fā)送的Chirp聲音信號。

調(diào)頻信號發(fā)送模塊：發(fā)送調(diào)頻廣播信號。頻率設(shè)定為兩個：85MHz，或者110MHz。內(nèi)部具有調(diào)頻信號產(chǎn)生電路和射頻放大電路。實驗所用的芯片為：QN8027。

音頻功放：將由單片機產(chǎn)生的音頻信號放大，驅(qū)動信標(biāo)上的揚聲器，產(chǎn)生聲音。實驗所用的信號為L2726。

單片機工作電源：將控制板接口電路提供的工作電源轉(zhuǎn)換成單片機和調(diào)頻發(fā)送板的工作電壓信號。

控制板的接口：主要是完成電源、信號的連接以及信號板的插接固定。

實驗電路設(shè)計

（1）電路設(shè)計：

硬件設(shè)計所在目錄：

d:\zhuoqing\AltiumDesinger\SmartCar20\BeaconSound

由于需要產(chǎn)生Chirp音頻信號，所以選擇一款帶有DA輸出的單片機。實驗電路的單片機采用STM32F051K8。

為了便于實驗，電路板的電源和接口采用100mil接口的插針對外引出，便于插接在面包板上與其它模塊連接實驗。

（2）電路板制作

通過快速制版，完成實驗板的制作。

由于STM32F051K8的封裝比較特別，焊接使用熱風(fēng)槍來完成。

焊接完之后的實驗電路。

（3）電路板的初步實驗

將電路板安置在小型實驗面包板上，通過編程對MCU進行初步功能測試。

軟件開發(fā)所在的目錄：

D:\zhuoqing\window\ARM\IAR\STM32\Application\Test20\SmartCar\ChirpBeacon051k\Src\main.c

單片機輸出的主時鐘信號（MCO）用于驅(qū)動調(diào)頻信號芯片QN8027，下面是測試該信號的波形。

FM發(fā)射模塊是基于之前的QN8027的調(diào)頻發(fā)射模塊。相關(guān)的前期工作參見：

QN8027性能調(diào)試

信標(biāo)的調(diào)頻發(fā)送

修改的方面：

將原來的時鐘晶體去掉，從MCU板的MOSC引入

. 左右兩個聲道來自于同一個外部引腳。

原理圖和電路板如下圖所示：

快速制版后的實驗電路板。

焊接完成后的電路板。

（1）連接實驗?zāi)K：

下面是將單片機板與FM發(fā)送模塊在面板上安裝調(diào)試。

（2）設(shè)置FM發(fā)射頻率

通過軟件改變調(diào)頻信號發(fā)送頻率。為了避免實際比賽時，F(xiàn)M的頻率與當(dāng)?shù)氐恼{(diào)頻廣播重疊，實際發(fā)送的頻率選擇85MHz，或者110MHz。

（3）發(fā)送Chirp信號：

Chirp信號的數(shù)據(jù)存儲在內(nèi)存2048的RAM中，通過單片機DA轉(zhuǎn)換輸出，轉(zhuǎn)換的頻率為10kHz。

Chirp信號的數(shù)據(jù)初始化子程序為：

//------------------------------------------------------------------------------ void InitDACBuffer(float fStartF, float fEndF) { float fAngle = 0; float fFrequency; float fDeltaT = 1.0 / DAC_OUTPUT_FREQUENCY; int i; for(i = 0; i < DAC_BUFFER; i ++) { g_nDACBuffer[i] = (unsigned short)((sin(fAngle * 2 * 3.1415926) + 1.0) / 2 * 0x4ff)+0x100; fFrequency = (fEndF - fStartF) * (i + 1) / DAC_BUFFER + fStartF; fAngle += fFrequency * fDeltaT; } }

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其中的參數(shù)：

fStartF = 250;

fEndF = 2000;

DAC_BUFFER=2048;

DAC_OUTPUT_FREQUENCY = 10000;

下面兩張波形圖分別實現(xiàn)了調(diào)頻信號的發(fā)送音頻信號波形以及通過調(diào)頻收音機接收到的信號波形。由于Chirp信號是變頻信號，所以在不同時間點，看到的聲音波形頻率不同。

這部分的電路實驗請參考博文：音頻功放L2726 。

控制協(xié)議

單片機通過檢查控制板上紅色LED的方波信號來確定是否發(fā)送調(diào)頻信號以及驅(qū)動揚聲器發(fā)送Chirp信號。

由于控制信號比較簡單，所以可以直接在主程序的循環(huán)（循環(huán)周期1ms）中，檢查LED驅(qū)動脈沖信號（10Hz）。出現(xiàn)高低電平變化就啟動信號發(fā)送過程。如果在60ms之內(nèi)沒有檢測到驅(qū)動脈沖變化，則關(guān)閉信號發(fā)送過程。

下面給出相關(guān)的C語言代碼。其中CheckFlashInit函數(shù)在主程序初始化中進行一次。 CheckFlashInput()是在主程序循環(huán)中進行調(diào)用。

//------------------------------------------------------------------------------ void CheckFlashInit(void) { g_nCheckCount = 0; g_nCheckLastStatus = 0; if(VAL(INPUT_PIN_1)) g_nCheckLastStatus = 0; g_nCheckUpdateCount = 0; g_nCheckFlashUpdateCount = 0; } //------------------------------------------------------------------------------ void CheckFlashInput(void) { if(g_nCheckCount < CHECK_FLASH_MIN) g_nCheckCount ++; if(g_nCheckCount >= CHECK_FLASH_MIN) { StopChirpSound(); } if(VAL(INPUT_PIN_1)) { if(g_nCheckLastStatus == 0) { g_nCheckUpdateCount = g_nCheckCount; g_nCheckCount = 0; StartChirpSound(); g_nCheckFlashUpdateCount ++; } g_nCheckLastStatus = 1; } else { if(g_nCheckLastStatus == 1) { g_nCheckUpdateCount = g_nCheckCount; g_nCheckCount = 0; g_nCheckFlashUpdateCount ++; } g_nCheckLastStatus = 0; } }

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單片機 硬件開發(fā)

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