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USB(Universal Serial Bus)即通用串行總線，是一種新型的數據通信技術。當采用USB接口連接設備與計算機時，無需重新設置系統，也不必打開機殼來調整接口卡的指撥開關，計算機會自動識別接口設備，同時下傳給外設的驅動程序。USB接口具有即插即用、速度快、易擴展等優點，已成為現今個人計算機上最重要的接口之一，更是一般消費性電子產品上不可或缺的接口。 短距離無線通信具有抗干擾能力強、可靠性高、安全性好、受地理條件限制較少、安裝施工簡便靈活等特點，應用非常廣泛，如汽車遙控門鑰、無線抄表、無線點菜、遙控遙測、小區自動化等。 多媒體的成熟大大推動了上述兩項技術的融合。特別對于音頻信號，USB聲卡相比機箱內的板載聲卡來說，遠離高頻干擾環境，音質效果好，且易于攜帶；但是由于受到音頻接口線的影響，局限在一定的范圍內，且無法同時與多人分享，而短距離無線通信技術具有受地理條件限制小、可靠性高、安全性好等優點。 結合兩者技術的優點，本設計利用TI公司的 PCM2702來實現USB音頻信號的采集，利用Rohm公司的BH1417來實現音頻信號的立體聲無線傳輸。可通過單片機同步顯示頻率，并控制 80～180 MHz 14段頻率的切換，可實現10～100 m內的高速音頻信號傳輸。 1 主要芯片介紹 1.1 PCM2702芯片 數／模轉換芯片PCM2702有2個數／模轉換輸出通道和1個一體化的USB接口控制器，該接口符合USB1.0標準；采用最新開發的SPAct(采樣期內自適應控制跟蹤)系統，能夠從USB接口的音頻數據中分離出一個穩定的、偏差較小的時鐘信號以協調PLL和DAC 工作。 PCM2702主要由3部分組成：Burr-Brown公司研制的增強型多層次δ-σ調制器，8×重復采樣數字插值濾波器和模擬輸出低通濾波器。PCM2702可以接收48 kHz、44 kHz和32 kHz的16位立體聲或單聲道音頻數據；內部集成有數字電位器的軟件靜音功能，通過USB的音頻等級需求可以控制電位器和靜音功能。 1.2 BH1417芯片 BH1417是一款集立體聲FM、頻率合成和RF放大器等功能于一體的大規模專用調頻發射集成電路。它可工作于 87～108 MHz頻段，與簡單的外圍電路配合使用，可發射音頻FM信號，配合普通的調頻立體聲接收機就可實現無線調頻立體聲傳輸。FM立體聲發射器發射出的立體聲的信號分離度可達50 dB，失真小于0.3％，而且電路的穩定性大大加強。單單就收發效果而言，已基本接近正規的FM電臺。 BHl417 由5部分組成：音頻預處理電路(加重、限幅和低通濾波)；基頻產生電路(晶振、分頻)；鎖相環電路(相位檢測、鎖頻)；頻率設定電路(高低電平轉換)；調頻發射電路。外圍電路主要有頻率控制電路、壓控振蕩器組成的載波產生電路，定時器以及一些耦合電容。 BH1417將預加重電路、限幅電路、低通濾波電路(LPF)一體化，使音頻信號的質量比分立元件(如BA1404、NJM2035等)的電路有很大改進；采用鎖相環鎖頻，并與調頻發射電路一體化，使得發射的頻率非常穩定；采用4路高低電平進行頻率設定，可設定14個頻點，使用非常方便。 2 硬件電路設計 USB 音頻發射系統原理框圖如圖1所示。該系統主要由USB聲卡模塊、無線發射模塊、單片機控制模塊、鍵盤輸入模塊、頻率顯示模塊和電源模塊等構成。 
當USB聲卡模塊和計算機連接后，計算機自動識別，并輸出立體聲音頻信號；音頻信號傳送至無線發射模塊，經過處理后，變換成調頻電波發射出去。同時，單片機系統會控制調頻發射模塊的D0～D3四個引腳的高低電平，從而控制發射頻率，同步將發射頻率顯示出來。 2.1 USB聲卡模塊 如圖2所示，USB聲卡模塊主要由帶有USB接口的16位立體聲數／模轉換芯片PCM2702和音頻運算放大器OPA2134組成。PCM2702外圍電路比較簡單，由數／模雙電源供電，在數模信號接地時采用磁珠或0 Ω電阻進行隔離，有效降低數模信號之間的干擾。在PCM2702模擬輸出端，考慮到信號的驅動能力不夠，采用音頻專用運放OPA2134構成一個多重反饋型低通濾波器，同時對信號進一步放大和還原，輸出的音頻信號直接供無線發射模塊使用。考慮到整體音質的效果，電路中與音頻信號相關的電容盡量選擇優質電容。
2.2 無線發射模塊 如圖3所示，無線發射模塊主要由大規模專用的調頻發射集成電路BH1417及簡單外圍電路構成。
(1)立體聲調制電路 音頻信號通過1腳、22腳輸入后，由BH1417的 21、20、19、2、3、4腳和外電路配合通過預加重電路、限幅電路和低通濾波器后送到混合器中。由13腳、14腳輸入的接入7.6 MHz晶振的振蕩電路，通過200分頻產生38 kHz的副載波信號。38 kHz副載波通過2分頻后產生19 kHz的導頻信號，左聲道減去右聲道的信號與38 kHz的副載波進行平衡調制，調制后的復合信號通過5腳輸出。 (2)調頻發射電路 調頻發射電路采用頻率穩定的鎖相環系統。BH1417的15、16、17、18腳輸入的頻率代碼經過解碼和鑒相后，由7腳輸出LC振蕩器的控制信號VCO。此VCO控制外部分立元件組成的高頻振蕩電路產生FM調頻的載波信號，并通過2個三極管C9018對5腳輸出的復合立體聲信號進行FM頻率調制。調制后的信號通過9腳輸入到BH1417，經過內部的射頻放大器放大后的射頻信號由11腳輸出。輸出后的信號可以直接接到發射天線上進行發射。BH1417頻點發射對應的高低電平如表1所列。
(3)高頻振蕩電路 BH1417的5、7、9、10、12引腳配合與其連接的分立元件，構成調頻載波的頻率振蕩和射頻調制部分；13、14腳需要外接7.6 MHz的晶體振蕩器，提供給BH1417內部的鑒相、立體聲信號調制等部分所需要的穩定時鐘；6、8為電源部分；11腳與外部連接的元件構成調頻信號發射部分。 (4)三極管放大電路 BH1417的11腳信號輸出后，采用9018來一級放大。 2.3單片機控制和頻率顯示模塊 單片機控制和頻率顯示電路如圖4所示，主要由AT89C51、鍵盤輸入和液晶顯示模塊組成。單片機P2口的4個引腳分別連接BH1417的15、16、17、18引腳，通過鍵盤控制其高低電平，進而控制BH1417的頻率輸出，同時將頻率顯示到1602液晶上。
2.4 電源模塊 電源模塊電路如圖5所示。12 V直流輸入經過LM78L05ACH穩壓管，5 V輸出。電源部分主要為USB聲卡模擬輸出、音頻放大、無線發射以及單片機控制和頻率顯示部分提供電源。為了減少無線發射模塊對單片機控制和頻率顯示模塊的干擾，可在電源和接地之間加入磁珠或0 Ω電阻。
3 軟件程序設計 系統軟件流程如圖6所示。系統上電后，單片機系統初始化，P2的4個端口都為低，設定為87.7 MHz發射，同時在1602上顯示頻率。而后進入鍵盤循環掃描狀態，當檢測到鍵盤按下時判斷鍵值，根據鍵值調整P2四個端口的電平高低，進而控制 BH1417的發射頻率，然后顯示頻率。本系統的工作頻率分為14個頻段，詳見表1。判斷鍵值來增加／減少頻率。當頻率達到88.9 MHz或106.7 MHz時，跳過PLL停止檔位。
4 系統制作、調試及抗干擾措施 在系統的焊接中要注意貼片的焊接，防止人體和烙鐵的靜電把芯片損壞。由于本系統是信號的傳輸，所以在通用板上布局時要盡量減少信號線的長度，濾波電容盡量離輸出元器件近，以免產生多余的雜波。 系統調試過程中，由于本系統中有數字電路、模擬低頻和模擬高頻電路，注意相關電源的正確連接，以免引起電路的異常和干擾，且電源間要加去耦電路。 先調試USB聲卡模塊。根據PCM2702的資料，USB上電的時間要短，才能確保電腦正確地找到設備，并安裝好。然后，進行無線發射模塊的調試。由于實驗室沒有測頻儀器，只好直接用精確度高的收音機直接接收測試。測試時，先將4個控制引腳用跳線接地，確保能夠發射出無線信號后，再進行頻率的校正和單片機控制顯示等。 該系統對于抗干擾性有一定的要求，所以在電源模塊中分別給出了數字、模擬低頻、模擬高頻的電源端口，加入磁珠和0 Ω電阻以減少相互之間的干擾。電路設計時，各個模塊獨立成塊，四周接地以減少電磁干擾等；且各個模塊中添加了必要的保護電路，確保電路的穩定性、可靠性。 結語 基于PCM2702與BH1417的USB音頻發射系統采用模塊化的設計方法，使得整個系統具有一定的擴展性且可以分開獨立使用。盡管也有USB聲卡和2.4 GHz構成的無限USB聲卡方案，但是由于其頻率不可變且需要配套的接收設備，無法做到與多人分享且保密性不強。使用調頻發射，可以利用現成的收音機接收，頻率可調可以加強安全性。 參考文獻 1. 任暉.基于USB的通用無線傳輸接口設計[J].單片機與嵌入式系統應用,2006(2). 2. 朱曉章.低功耗高集成度高保真度USB聲卡的設計與制作[J].實驗科學與技術,2005,3(z1). 3. 孫加存,王鵬.一種實用的調頻發射電路設計[J].蘇州市職業大學學報,2008,19(3). 4. 鈴木憲次.高頻電路設計和制作[M].北京:科學出版社,2003. 5. 馬忠梅,籍順心,張凱,等.單片機的C語言應用程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007:2-7. 作者：李晨霞(上海理工大學) 劉峰偉,康娟(中國計量學院) 來源：《單片機與嵌入式系統應用》 2009（10） |
