单工无线呼叫系统设计毕业论文Word格式.docx

1、调频系统与调幅系统相比，具有较强的抗干扰能力。本系统采用调频体制，数据收发也采用2FSK方案（2）载波信号产生电路的设计方案论证与选择PLL频率合成。用MC145152和VCO电路进行频率合成，采用闭环控制。故存在反馈，能得到精度和稳定度很高的频率信号。图1.2. 频率合成原理框图采用LC振荡电路。比如西勒振荡电路，具体电路图如图1.2.3所示。该电路较易起振，输出振荡频率和振幅也较为稳定，波形好，调谐范围也比较宽。电路的振荡频率为，但其调试比较复杂。图1.2. 西勒振荡电路载波信号发生器是主机发射部分的重要组成部分，应能产生等幅高频正弦信号，其振荡频率应十分稳定。方案二的电路比方案一的电路简

2、单，但是其短期频率稳定度差；而采用频率合成法产生的高频振荡信号的频率稳定度接近晶振的频率稳定度；且失真度很小。故本设计采用方案一。（3）接收模块的设计方案论证与选择采用CXA1238作为接收机电路的核心IC。CXA1238是索尼公司在20世纪80年代后期正式推出的集调幅、调频、锁相环、立体声解码等电路为一体的AM/FM立体声收音集成电路。它的电源电压适应范围宽：210V范围内电路均能正常工作，且具有立体声和调谐指示LED驱动电路以及FM静噪功能等。FM专业收音电路常采用大规模集成IC CXA1019、CXA1238等大规模集成芯片来实现。采用CXA1019作为接收机电路的核心IC。CXA101

3、9是日本索尼公司研制的单片大规模接收机电路，它包含了AM/FM收音机从天线输入、高频放大、混频、本振到中频放大、检波直至低频（音频）功率放大的所有功能。除此之外，还具有调谐指示，电子音量控制等一些辅助功能。上述两种方案实现的功能基本相同，但CXA1238具有耗电小、调整简单等优点；且它的宽电压适应范围和立体声指示及静噪功能也是CXA1019所力所不能及的。故选用方案一。因CXA1238内部带解调电路，可以对语音及数据调制后的信号进行解调。（4）数据传输的设计方案论证与选择单工无线呼叫系统要求一点对多点传送，且主站具有拨号和群呼功能，同时增加英文短信的数据传输业务；从主站输入的英文短信经转换后形

4、成连串的数字信号，这就需要把这数字信号调制发射出去，并且在接收端应把调制信号解调并加以识别显示出来；发射部分预置从站号码发送或群发，接收部分则只有相应的台号接收。采用二进制振幅键控（ASK）调制与解调法。ASK有乘法器实现法和键控法两种实现方法，乘法器实现法的原理方框图如图1.2.6所示，其数字信号与载频为fc的余弦信号进行混频得到调制信号；振幅键控信号解调有两种方法，即同步解调法和包络解调法，同步解调方框原理如图1.2.7所示。图中uASK（t）信号经过带通滤波器抑制来自信道的带外干扰，相乘器进行频谱反相搬移，以恢复基带信号。低通滤波器用来抑制相乘器产生的高次谐波干扰，解调的相干载波用2co

5、s2fct。图1.2.6 ASK调制器框图图1.2.7 ASK同步解调方框图采用微控制器和PT2262/2272组成的编码/解码电路。PT2262/2272是一对CMOS工艺制造的低功耗低价位带地址、数据编码/解码功能，是目前在无线通讯电路中作地址编码识别和数据传输最常用的芯片之一。PT2262/2272发射接收电路原理框图分别如图1.2.8和图1.2.9所示。在发射端，微控制器对PT2262的地址位进行预置（即设定台号的代码），同时输入短信内容，通过微控制器进行短信编码后产生相应的数据去预置PT2262的数据位后，再调制发射出去；接收端，把接收到的信号进行解调放大后，送至PT2272，解码后

6、在数据位产生对应的数据，通过微控制器进行短信解码后在液晶上显示所发送的短信内容。图1.2.8 采用PT2262编码电路的发射原理框图图1.2.9 采用2272解码电路的接收原理框图上述两种方案都可以发送并且接收数字信号，但它们的原理不同，方案一是采用数字调制，而本设计发射部分的主体是频率合成技术，数字调制则无法把数字信号调制发射出去；方案二采用常用的PT2262/2272编码/解码电路，可靠性高，且与系统兼容；综上所述，本设计采用方案二。（5）自动控制模块的设计方案论证与选择单工无线呼叫系统的自动控制部分直接关系到系统 “智能化”与“自动化”的实现，其控制方案的拟定，考虑了以下两个方面。发射和

7、接收的控制方框图分别如图1.2.10和图1.2.11所示。图1.2.10 发射部分控制方框图图1.2.11 接收部分控制方框图采用FPGA（现场可编程逻辑门阵列）作为系统的控制核心。由于FPGA具有强大的资源，使用方便灵活，易于进行功能扩展，特别是结合了EDA，可以达到很高的效率。系统的多个部件如频率测量电路，键盘控制电路，显示控制等都可以集成到一块芯片上，大大减小了系统的体积，并且提高了系统的稳定性。基于单片机技术的控制方案。相对于FPGA的并行处理方式，单片机是通过对程序语句的顺序执行来建立与外部设备的通信和完成其内部运算处理，从而实现对信号的采集、处理和输出控制。它最主要的特点是其串行处

8、理特性。上述两种控制方式除了在处理方式和处理能力（速度）上的差异外，在实现的效果以及复杂程度等方面也有显著的区别。FPGA将器件功能在一块芯片上，相对于单片机外围电路较少，集成度高。而单片机技术比较成熟，开发过程中可以利用的资源和工具丰富、价格便宜、成本低。鉴于本设计中，仅单片机的资源已经能满足设计的需求，而FPGA的高速处理的优势在这里却得不到充分体现；因此本设计的控制方案模块拟选用上述基于单片机技术的方案二。单片机采用Atmel公司生产的AT89S52，实现对收发模块的控制。1.3 系统组成系统主要分为发射和接收两大模块，经过方案比较与论证，发射和接收部分的组成框图分别如图1.2.15和图

9、1.2.16所示。其中发射部分的集成电路MC1648、MC145152、MC12022、低通滤波器和晶振构成锁相环频率合成器、音频处理器、数据编码器、单片机进行数据处理、按键处理、LCD驱动。接收部分由收音模块、音频输出模块、数据接收模块以及控制模块四大部分组成，单片机起控制作用。由于电路中既有数字电路又有高频电路，需将高频地和数字地分开以及高频电路用金属屏蔽隔离，以减小交叉调制等干扰。图1.2.15 发射部分组成框图 图1.2.16 接收部分组成框图2 单元硬件电路设计2.1 发射部分电路的设计2.1.1压控振荡器的设计压控振荡器主要由压控振荡器芯片MC1648、变容二极管V149以及LC谐

10、振回路构成。MC1648需要外接一个由电感和电容组成的并联谐振回路。为达到最佳工作性能，在工作频率时要求并联谐振回路的QL100。电源采用+5V的电压，一对串联变容二极管背靠背与该谐振回路相连，调整加在变容二极管上的电压大小，使振荡器的输出频率稳定在35MHz。图2.1.1为压控振荡器电路图。图2.1.1 压控振荡器电路图压控振荡电路由芯片内部的VT8、VT5、VT4、VT1、VT7和VT6，10脚和12脚外接LC谐振回路（含V149）组成正反馈（反相720）的正弦振荡电路。VCO的芯片管脚3为缓冲输出，一路供前置分频器MC12022，一路供放大后输出。该芯片的5脚是自动增益控制电路（AGC）

11、的反馈端。将功率放大器输出的电压Vout1通过一反馈电路接到该脚，可以在输出频率不同的情况下自动调整输出电压的幅值并使其稳定，由于本设计的频率固定在35MHz，且其反馈幅度不大，因此5脚直接接地。2.1.2 锁相环电路设计压控振荡器的输出频率受自身参数、控制电压的稳定性、温度、外界电磁干扰等因素的影响，往往是不稳定的。因此可以加入自动相位控制环节，即锁相环，来稳定发射频率。发射频率经反馈，与晶振产生的标准信号做比较，在锁相环的跟踪下，发射频率始终向标准信号逼近，最终被锁定在标准频率上，达到与参考晶振同样的稳定度。锁相环电路MC145152是大规模集成锁相环，集鉴相器、可编程分频器、参考分频器于

12、一体，分频器的分频系数可由并行输入的数据控制，其内部框图如图2.1.5所示。图2.1.5 MC145152内部框图（1）参考分频参考晶振从OSCin、OSCout接入，芯片内部的R参考分频器提供8种不同的分频系数，对参考信号进行分频。R值由RA0，RA1，RA2设定，如表2.1.1所示。本设计中，参考晶振为10.24MHz，所以取RA0RA1RA2101时，即R1024，对晶振频率进行1024分频。表2.1.1 MC145152参考分频器分频系数选择表RA21RA1RA0R864128256512102411602048（2）可编程分频由于发射部分的频率高达35MHz，MC145152的电路无

13、法对其直接分频，必须先用ECL电路的高速分频器进行预分频，把频率降低，然后由MC145152继续分频，得到一个参考频率相等的频率，并进行鉴相。为使分频系数连续可调，可编程分频电路采用的是吞咽脉冲计数法，它由ECL（非饱和型逻辑电路）的高速分频器MC12022及MC145152内部的A减法计数器，N减法计数器构成。如图2.1.6所示。图2.1.6 吞咽脉冲计数器原理图MC12022有64和65两种分频系数。M为其控制端（从MC145152的9脚输出，输入MC12022的6脚）。M为高电平时，MC12022以P165为分频系数，M为低电平时则以P64为分频系数。N 和A是可预置数的减法计数器，由并

14、行输入口分别预置6位的A值和10位的N值。PD为数字鉴相器。fo为压控振荡的输出频率（即发射频率）。因此给MC145152的N9N0和A5A0口预置相应的数值，这就实现了对发射频率的控制。（3）鉴相模拟鉴相器对输入其中的两个信号进行相位比较，一个是由稳定度很高的标准晶振经过分频得到的，另一个是由压控振输出频率经分频反馈回来的，这两个信号通过鉴相器，也就是经过一个模拟乘法器后得到一个相位误差信号。再经过一个低通滤波器，取出其中的误差信号，滤去其高频成分，将其直流成分用来调整压控振的输出频率。本设计采用的鉴相器集成在MC145152中，它是一种新型数字式鉴频/鉴相集成电路，具有鉴频和鉴相功能，不需

15、要辅助捕捉电路就能实现宽带捕捉和保持。2.1.3 功率放大电路设计电路如图2.1.7所示。功放管为9018，采用感性负载，输出幅度较大。丙类功放的基极电压-VEE是利用发射极电流的直流分量IE0在射极电阻RE2上产生的压降来提供的。当放大器的输入信号t为正弦波时，集电极的输出电流ic为余弦脉冲波。利用谐振回路L2C2的选频作用获得输出基波电压c1、电流ic1。 集电极基波电压图2.1.7 功率激励电路2.2 接收部分电路的设计2.2.1 CXA1238S芯片CXA1238S的电源电压适应范围宽，210V范围内电路均能正常工作；它具有立体声指示LED驱动电路以及FM静噪功能等等。其内部结构原理图

16、如下图2.2.1所示。天线接收到的信号经过87108MHz的带通滤波器，由18脚（FM天线输入）进入芯片内部，通过选频网络将选出的电台信号送入芯片内部的FM前置放大器，进行前置放大后与本振进行混频，得到10.7MHz的中频频率。22脚外接的VD1、VD2、C8、C9、C10、VC1、L1等元件是FM本振调谐回路。20脚外接的VD3、VD4、C11、C12、C13、VC2、L2等元件是FM高放调谐回路。10.7MHz中频频率由16脚输出，然后接到10.7MHz的陶瓷滤波器上。经过了陶瓷滤波器的信号已经被滤除了带外杂波，由13脚的中频输入端引入。在芯片内部进行中频放大和鉴频。鉴频后的信号分为两路，

17、一路由12脚驱动调谐指示电路，外接发光二级管D2（当接收信号最大时，LED显示最亮）；另一路由IC内的直流放大器放大后进行自动混合和FM静噪。经检波后的立体声复合信号（或单声道信号），由IC内直流放大器放大、滤波后变换成 AFC控制电压、由10脚输出并通过一个100K的电阻反馈至23脚，用于抑制内接变容二极管的等效电容，以达到修正FM本振频率，进行频率跟踪的目的。立体声复合信号经放大后，分别送到IC内的立体声解调器、鉴相器1和鉴相器2。鉴相器1、压控振荡器（VCO）和分频器组成锁相环路。VCO产生的76KHz振荡信号，经过二分频后变成38KHz的立体声解调开关信号，送至解调放大器。再经过二分频

18、，并移相90后的19KHz信号与复合信号中的19KHz导频信号在鉴相器1中进行相位比较，并输出一个误差电压，由外接低通滤波器R1、C3、C5滤除高频成分后，控制VCO的振荡频率和相位，达到环路锁定。VCO的自由振荡频率可以通过 27脚外接微调电位器RP1调整，从而调整跟踪导频信号的捕捉范围。C1为去耦电容。鉴相器2的作用是检出立体声/单声道开关控制信号。当分频后的19KHz信号和输入导频信号频率相同，相位差最小时，输出正电压最大，经低通滤波器滤波（2、3脚外接电容C7）和直流放大后打开“立体声/单声道”开关，并且驱动4脚外接立体声指示（发光二极管D1）。最后把解调、放大后的立体声信号分左、右两

19、路分别从两个声道的输出口（5、6脚）输出。信号通过去加重网络进行去加重处理后，送到用于音量调节的数字电位器X9511，经过音频放大后，进而驱动扬声器发声。由于本系统没有涉及到调幅，所以芯片中的14脚（AM中频输入）、15脚（波段选择）、19脚（AM天线输入）和24脚（AM本振）均接电容到地。具体电路见附录。图2.2.1 CXA1238内部结构方框图2.2.2 高放选频回路 输入选频回路，简称输入回路，它的作用是从空间的各种无线电波中选出所接收频段的信号，并完成天线与高频放大器之间的匹配，使所接收的信号得到最大能量的传播。本设计要求接收部分所接收的频率值为35MHz，输入选频回路电路原理图如图2

20、.2.4所示。在CXA1238S的20脚接上一个LC槽路，调节可变电容的值得到所需要的频率。如图中所示，其频率由式2.2.2计算。 （2.2.2） 取C1=20pF，L=0.59H，又f=35MHz ，C2max=20pF，得到可调电容值：C2=520pF图2.2.4 选频回路电路原理图2.2.3 本机振荡器该电路用于产生本地振荡信号，它始终比电台信号高出10.7MHz。振荡电路的形式一般有变压器耦合式振荡电路、电感三点式振荡电路、差动振荡式振荡电路和电容三点式振荡电路。本设计收音部分采用的本振电路和选频回路电路一致，原理相同，只是参数不同，如C2值不变，由式2.2.4计算可得，L=0.36H

21、。电路原理图见图2.2.2。输出接至CXA1238的22脚，即FM本振输入。2.2.4 中频窄带滤波器本设计中使用的是三端陶瓷滤波器。在锆钛酸铝陶瓷片的一个面上被覆两个银层作输入和输出的电极，另一面被覆一块银层作公共电极，经直流高压极化后，具有压电效应。若将交流电压加在陶瓷片的输入端上，陶瓷片将做相应的机械振动。这种机械振动能产生交流电势，从另一端子输出。一定的片子形状大小，具有一个固有机械振动频率。如果外加交流电压的频率等于陶瓷片的固有机械振动频率时，压电效应最强，输出最大，其它频率则传输系数减小。因此其作用和谐振回路相同，具有滤波特性。它的体积小巧，谐振频率稳定，接入电路后不需要再作调整，

22、而且选择性好。其衰耗特性曲线如下图2.2.5所示：图2.2.5 10.7MHz陶瓷滤波器衰耗特性曲线陶瓷滤波器的基本形状决定了它的谐振频率。用于调频中频10.7MHz用的陶瓷片大约为67mm左右，厚0.2mm左右。陶瓷滤波器矩形系数好，故应接在混频级上，它可以先将干扰信号滤掉，提高双信号选择性。同时陶瓷滤波器相当于集中滤波器，使后级可少用调谐中放，改用直接耦合放大。陶瓷滤波器本身不需要调节，使调频中放调解容易得多。2.2.5音频功率放大器前置放大器的输出功率很小，推动不了扬声器，因此对前置放大器的输出信号还要进行功率放大，以得到足够的不失真输出功率。本设计中音频功率放大器采用集成芯片TDA28

23、22M,它的工作电压范围较宽，最高可使用到12V。功率有效值為2W 工作温度最低:-40C到 150C。带宽:0.12MHz 兩個放大器，负载阻抗為8ohm ，输出功率為1W 其电路原理图如图2.2.6所示。立体声解调放大后的信号由RIN和RIN脚输入到低频放大器。并由LOUT和LOUT端驱动扬声器发声。图2.2.6 音频功率放大电路图2.3 PT2262/2272编码/解码电路设计2.3.1 PT2262/2272芯片介绍PT2262是台湾普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262最多可有12位（A0A11）三态地址端引脚（悬空、高电平和低电平），任意组合可

24、提供531441地址码，PT2262最多可有6位（D0D5）数据端引脚，设定的地址码和数据码从17脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。其外形图和管脚排列图如下图所示：表2-1 PT2262芯片引脚说明名称管脚说明A0A1118、1013地址管脚，用于进行地址编码，可置为“0”、“1”、“f”（悬空）D0D578、1013数据输入端，有一个为“1”即有编码发出，内部下拉18电源正端（）9电源负端（）TE14编码启动端，用于多数据的编码发射，低电平有效OSC116振荡电阻输入端，与OSC2所接电阻决定振荡频率OSC215振荡电阻振荡器输出端17编码输出端（正常时为低电平） 2.3.2 PT2262

25、/2272编码/解码电路 PT2262发射芯片地址编码输入有“1”、“0”和“开路”三种状态，数据输入有“1”和“0”两种状态。由各地址、数据的不同接脚状态决定，编码从输出端Dout输出。Dout输出的编码信号是调制在载波上的，通过改变15脚（OSC1）和16脚（OSC2）之间所接的电阻阻值的大小，即可改变17脚输出时钟的频率；6个数据位（D0D5）由单片机（P20P25）预置，同时6个地址码也由单片机（P00P05）预置；17脚输出的信号通过左声道加入至压控振荡器（MC1648）进行调制发射出去。PT2272的暂存功能是指当发射信号消失时，PT2272的对应数据输出位即变为低电平。而锁存功能

26、是指，当发射信号消失时，PT2272的数据输出端仍保持原来的状态，直到下次接收到新的信号输入。PT2262和PT2272的电路原理图分别如图2.3.3和2.3.4所示。图2.3.3 PT2262编码电路P3.2图2.3.4 PT2272解码电路 2.4 抗干扰措施本系统既有低频信号，又有中频和高频信号；既有模拟信号，又有低频基带的数字（脉冲）信号和锁相环生成的各种频率的数字（脉冲）信号。它们互相交调会形成频谱很宽的内部干扰信号，加上外部各类干扰信号，特别是50Hz的市电干扰信号，是无时不有，无孔不入。这些干扰信号不仅影响音频信号的传输质量，更重要的还会影响主从站的呼叫，英文短信的传输质量，甚至

27、造成呼叫出差错和英文短信出错误。因此，抗干扰措施必须做得很好才能保证语音信号高质量传送和呼叫信号、英文短信无误传送。 将发射机调制器之前音频输入级加以屏蔽，防止50Hz市电干扰和数字（脉冲）信号干扰。 电源隔离。模拟部分和数字部分的电源单独供电，如共用一个直流稳压电源，必须采用电感和电容去耦合。 地线隔离。地线一般要粗，甚至大面积接地，除了元器件引线、电源走线、信号线之外，其余部分均作为地线。同时模拟地要与数字地分开。 模数隔离。模拟部分会受数字部分的脉冲干扰影响，必须将数字部分和模拟部分分开排版，并拉开一定的距离。 数数隔离。本系统采用了锁相环，会产生各种频率的脉冲信号。呼叫信号和英文短信也

28、是数字信号，这两类数字信号要相互隔离，前者会干扰后者，造成呼叫或英文短信传递出差错，后者会干扰前者分频错误，从而影响它正确锁定。 加装屏蔽线。例如线路输入线、话筒输入线。接收机鉴频/鉴相器至音频放大器之间的引线，均要加装屏蔽线。3软件和硬件测试流程3.1 软件设计和硬件设计的关系硬件设计和软件设计是电子设计中必不可少的内容，为了满足设计的功能和指标的要求，我们必须在开始设计的时候就要考虑到硬件和软件的协调；不然不是造成硬件资源的浪费就是增加软件实现时困难和复杂程度，甚至造成信号的断层，即使硬件和软件能单独使用，却不能使它们组成的系统工作。故在设计的过程中必须考虑软硬件的处理能力以及它们的接口是否兼容，实现软硬件的信号过渡。其次设计时硬件之间应尽可能减小联系，只要把必要的信号线相连则可。这样做的优点是：首先，调试时可以减少很多不必要的麻烦，因为电路是相对独立的，故在调整电路参数值时其影响和干扰就小，在满足发射和接收模块的要求后可单独对控制模块进行调整；再者，当出现问题时检查电路就容易缩小问题的范围，使得排错效率高。由于硬件的分离，在软件的调试时就可以单独针对控制模块。3.2 发射部分程序设计发