Si472x射頻收發芯片的交通狀況提示裝置

引言

　　本交通狀況提示裝置采用調頻收發技術，可實現在道路發生交通事故、道路阻塞或能見度低的雨霧天氣等情況下，向周圍車輛發送提醒信號，并自動開啟車內危險報警閃光燈，提醒后方來車，同時，在高峰易賽車路段，可向周圍車輛及時傳達路況信息。本裝置結構簡單，成本低，便于每輛汽車上安裝。

　　本系統主要是針對Silicon Lab公司推出的Si4721系列芯片設計的，對于其他系列的產品稍加改動即可，其設計思路基本相同且引腳兼容。

　　1 Si4721單芯片射頻收發器簡介

　　Si472x功能框圖如圖1所示。

　　Si472x系列主要包含Si4720和Si4721，都是20引腳QFN封裝，支持調頻信號76 MHz～108 MHz全波段收發，且可全頻段自動搜索及頻率自鎖定，工作電壓2．7～5．5 V均適用。其設計與Si473x AM／FM廣播接收器、Si470x FM廣播接收器，以及Si471x FM發射器解決方案相兼容。由于這種兼容性，單一PCB設計可以無縫支持所有這些產品。與單片機通信時，可使用與I2C兼容的2-Wire、3-Wire 及SPI接口方式。Si4721與Si4720的主要不同點是，Si4721內部有RDS／RBDS處理器，是一款支持歐洲廣播數據系統(RDS)和美國無線廣播數據系統(RBDS)的單芯片FM廣播收發器。

　　Si472x系列芯片內部集成有功能完備的ADC及DAC部件，外部音頻信號可直接輸入芯片發射出去，同時接收到的音頻信號加放大器后，可驅動揚聲器播放。Si472x這款全新的單芯片FM廣播收發器充分利用了獨特的射頻專業技術，在集成與性能方面實現了又一次創新。它支持客戶在簡化系統設計、降低產品成本的同時，進一步改善了消費者的聽覺體驗。Si472x支持模擬和數字音頻接口，并提供諸如錄制FM廣播作為鈴聲等特性。由于不再使用多余的數據轉換器，這種數字音頻接口還可降低系統功耗、延長電池的使用時間。另外，Si472x FM收發器針對便攜式應用進行了優化，具有可接收FM廣播信號，以及從設備至任何FM接收器創建無線音頻連接的能力。它也是支持調頻廣播收發一體的可支持小型化天線的系列芯片。由于采用了小型化天線，Si472x系列芯片可以很方便地設置在許多便攜式設備PCB板中，包括有藍牙功能的設備。因為它所占 PCB空間極小，可以省去外置天線帶來的許多不便。

　　2 道路交通狀況提示裝置工作原理

　　本裝置主要包含1個核心微控制器、1個單芯片FM收發器、1個可存儲和可實時錄入多段語音信息的語音電路、功率放大電路及音頻放大電路。系統總體設計框圖如圖2所示。

　　系統以Silicon Labs公司的C8051F310為控制核心。單芯片FM收發器采用大規模集成芯片Si4721實現，可通過編程控制使其分別工作在接收或發射模式。語音模塊采用集成錄放音芯片ISD2560，可實現錄制和存儲針對各種交通狀況的語音提示信息(如車牌號碼、車輛故障停車、道路阻塞或維修等)；同時可切換錄音話筒直接對外喊話(如車輛著火有爆炸危險、車禍后人員被困無法出來等狀況)。該裝置集接收和發送于一體。默認狀態處于接收，可接收周圍150 m遠的車輛發來的語音提示或報警信號，通過揚聲器循環播放，以便駕駛員作出相應調整。當車輛遇故障拋錨，或碰到能見度低的雨霧天氣時，通過單片機選中語音芯片中事先存儲好的語音信號地址，調出其中存儲的語音內容(例如：“車牌號為xxxxxxx的車輛因故障靠邊停車，后方來車請小心駕駛!”)，然后按下發送按鍵，向周圍車輛發送，并自動開啟車內危險報警閃光燈，做到多種方式提醒后方來車小心駕駛。

　　當遇道路阻塞、道路維修時，按下相應按鈕，打開語音模塊的實時錄入功能，錄入阻塞道路名稱或維修道路名稱等相應信息(例如：“某某路段現處于賽車高峰，請各車輛繞道而行”)，按下發送按鈕，便可以向周圍車輛發送該信號，以便其他車輛及時做出擇道選擇。

　　當遇車輛發生車禍被困車內等緊急情況，可打開實時喊話功能，通過麥克風輸入電路直接對外進行喊話，然后通過收發模塊發射出去，并自動開啟車內危險報警閃光燈。

　　3 系統硬件設計

　　3．1 收發器硬件設計

　　單芯片FM收發器采用Si4721芯片，接口電路如圖3所示。芯片工作頻率由外部32．768 kHz晶振提供，分別接入RCLK和DCLK引腳。

　Si4721通過I2C總線兼容的2-Wire工作模式與單片機通信。單片機通過指令控制Si4721工作在發射模式或接收模式，從語音電路輸出的語音信號輸入Si4721，經過Si4721內部射頻電路及天線發射出去。單片機通過發送接收模式指令使Si4721工作在接收模式。設定相關頻段，從天線接收到的信號經過Si4721最終從揚聲器輸出。

　　3．2 微控制器硬件設計

　　系統采用單片機C8051F310控制。C8051F31x器件是完全集成的混合信號片上系統型MCU芯片，能實現51系列單片機的所有功能，并且速度快、性能好。選用這款功能強大單片機的目的是為了給整個系統后續發展打下基礎，便于系統功能后續升級及擴展。

　　C8051F310使用Silicon Labs公司的專利CIP-51微控制器內核，有29個I／O引腳(3個8位口和1個5位口)，端口的工作情況與標準8051相似，但有一些改進。每個端口引腳都可以被配置為模擬輸入或數字I／O，數字交叉開關允許將內部數字系統資源映射到端口I／O引腳。可通過設置交叉開關控制寄存器將片內的計數器／定時器、串行總線、硬件中斷、比較器輸出以及微控制器內部的其他數字信號配置為出現在端口I／O引腳。這一特性允許用戶根據自己的特定應用選擇通用端口 I／O和所需數字資源的組合。片內Silicon Labs二線(C2)開發接口允許使用安裝在最終應用系統上的產品MCU進行非侵入式(不占用片內資源)、全速、在系統調試。

　　CIP-51采用流水線結構，與標準的8051結構相比指令執行速度有很大的提高。在一個標準的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或 24個系統時鐘周期，最大系統時鐘頻率為12～24 MHz。而對于CIP-51內核，70％的指令的執行時間為1或2個系統時鐘周期，只有4條指令的執行時間大于4個系統時鐘周期。CIP-51共有111 條指令。CIP-51工作在最大系統時鐘頻率25 MHz時，它的峰值速度達到25MIPS。

　　3．3 語音錄放電路硬件設計

　　語音電路采用ISD2560語音芯片，通過單片機控制其功能引腳CE、PD和P／R，實現對麥克風采集的音頻信號的錄入及處理，然后輸出信號至Si4721收發器。同時訪問地址線，可以存儲多段錄音。圖4是語音電路原理。

　　單片語音錄放集成電路ISD2560，可實現多段信息處理的多功能語音錄放，最大可存儲語音信號段數為600段，每段可錄音時間為60 s，能重復錄放達10萬次。芯片采用多電平直接模擬量存儲專利技術，省去了A／D、D／A轉換器。每個采樣值直接存儲在片內單個EEPROM單元中，因此能夠非常真實、自然地再現語音、音樂、音調和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。ISD2560集成度較高，內部包括前置放大器、內部時鐘、定時器、采樣時鐘、濾波器、自動增益控制、邏輯控制、模擬收發器、解碼器和480 KB的EPROM等。

　　3．4 射頻功率放大電路硬件設計

　　射頻功率放大采用的是50～850 MHz的功放芯片SBB-2089，其實功率增益可達20 dB，目前收發距離可達150 m左右，比較適于交通狀況提示所用。在無委會允許情況下，也可進一步擴大接收距離。功率放大電路如圖5所示。

　　4 系統軟件流程

　　由于系統默認為接收狀態，所以接收程序中只需直接Power UP，它對應的命令為0x01；若需轉入發射狀態，則需先切換到POWER DOWN狀態，再重新POWERUP。Si472x收發程序流程如圖6所示，系統程序流程如圖7所示。

5 系統性能測試、評價與展望

　　5．1 測試環境

　　測試時采用兩套裝置，12 V鎳錳電池供電。一套用于發射，另一套用于接收。在校園較空曠的林蔭道上測試距離達150 m以上，語音清晰，且傳輸距離可調(若無委會允許可以做得更遠)。在實際使用中，可用車載點煙器輸出的12 V供電。

　　5．2 性能測試及評價

　　經測試，整個系統功能完整，傳輸距離和語音質量等各項性能達到設計要求。以下是詳細測試情況：

①可準確接收周邊150 m以上車輛告警信號；
②接收到的語音信號清晰悅耳；
③可實時錄入阻塞道路名稱或維修道路名稱，然后發送出去；
④按鍵延時檢測確認發送功能，有效避免誤發送；
⑤可實現多段語音錄放管理；
⑥緊急情況可實時直接對外喊話；
⑦可根據需要自動開啟車內危險報警閃光燈；
⑧便捷的交互接口，液晶顯示操作提示，使得操作更加方便。
目前所用發射端功放為小功率功放，如加大功放，發射傳輸距離可達500 m或者更遠。

　　結 語

　　此技術除了用于道路交通狀況提示以外，只要加以修改加工還可用于其他用途，如對講機、門鈴、遙控器等。本技術可應用面廣，在本產品中還未能體現其所有功能，我們今后的發展方向，爭取將此產品更加完善。