论文基于软件无线电的am接收机.docx

桂林电子科技大学毕业设计（论文）报告用纸 第45页 共45页 1 绪论1.1 软件无线电技术简介软件无线电，又称为软件定义无线电，是一种既能兼容多种通信制式的无线通信设备，也能满足个性化通信需求的无线通信体系结构和技术。软件无线电可以将多种硬件单元和软件模块集成在一个物理平台上，通过软硬件的可重构过程，实现多频段、多模块之间的切换，完成无线通信系统的各种功能。它了克服了传统无线电以硬件为核心的设计局限性，增加了系统的灵活性，加快了产品的研发周期，所以它一经提出就受到了广泛的关注。软件无线电的概念是美国MITRE 公司的首席科学家Jeo Mitola在1992年提出的,当初是指宽频段、支持多种通信制式的无线电台。现在，软件无线电是指将模块化、标准化、通用化的硬件单元以总线或交换方式连接起来构成通用平台，通过这个平台实现多种无线通信功能的一种开放的体系结构和技术。按照软件无线电的基本要求，一个理想的软件无线电系统应该是完全数字化的系统，即从天线接收下来的信号，直接进行模数变换（ADC），随后的处理均在数字域内通过配置软件来完成，这样就极大地提高了系统功能的灵活性。软件无线电的技术优势有：（1）灵活性。软件无线电可以通过增加软件模块，很容易地增加新的功能。（2）开放性。软件无线电采用标准化、模块化的结构，其硬件可以随着器件和技术的发展而更新或者扩展，软件也可以随需要而不断升级。软件无线电不仅能和新体制电台通信，还能与旧式体制电台相兼容。这样，既延长了旧体制通信系统的使用寿命,也保证了软件无线电本身有很长的生命周期。（3）功能单元通用化，设备可互操作。（4）控制和处理软件化，系统生命周期长。软件无线电是随着微电子技术的进步而迅速发展起来的新技术，在军事通信、移动通信、广播、定位、雷达、卫星通信等领域都有广泛的应用前景。1.2 软件无线电应用简介在软件无线电概念提出不久,美军就提出了“易通话”(SPEAKeasy)科研计划,其主要任务是研制多频段多模式无线电台(MBMMR：Multi-Band Multi-Mode Radio)。该计划经历了两期研究，于1999年研制成功了多模多频段军用无线电台SPEAKeasy II。该设备可工作于22000MHz,能同时处理4 种不同的信号波形,兼容美军当时的15 种电台。SPEAKeasy II的研制成功，证明了软件无线电基于总线架构是可行的，基于硬件的软件化无线电也是可行的。美国麻省理工学院的“Spectrum Ware”项目，在软件无线电的发展历程中也具有标志性。它以更加软件化的角度提出了解决无线通信问题的方法，并运行一系列软件加以验证。其基本思路是：以ATM（Asynchronous Transfer Mode：异步传输模式）网络连接的工作站为基础构成，在工作站的用户空间内完成所有的信号处理工作。此后，软件无线电的研究日益深入，如欧洲的灵活的综合无线电技术（FIRST）计划、未来无线宽带多址系统（FRAMES）、SORT计划都使用了软件无线电技术。日本NTT公司研制出基于软件无线电技术的兼容PHS和WLAN的基站。澳大利亚ACT公司研制出可通过软件配置支持GSM、CDMA、UMTS和WCDMA的基站样机，实现了双向话音通话。国内的清华大学承担了国家“863”软件无线电研究项目，研制软件无线电试验平台。武汉大学采用软件无线电技术实现了海洋环境监控雷达收发系统。中兴通讯研制的软件无线电产品荣获了国际电工委员会颁发的InfoVision奖。华为研制的基于软件无线电技术的SingleRAN网络已在欧洲商用。我国的TD-SCDMA无线传输标准也采用了软件无线电技术。 1.3 AM接收机简介提到“AM”这个缩略语，通信专业的人自然会明白它是“幅度调制（Amplifier Modulation）”英文单词的缩写，说到调幅制式的无线系统，家喻户晓的收音机是调幅技术最成功的应用案例，调幅收音机经历了近百年的发展历程，到现在仍在广泛地使用，可见这项技术的生命力是多么的强大。1913年法国人吕西安、莱维利用超外差电路制作成了收音机，并申请了专利。1924年超外差收音机投放市场。收音机经历了矿石收音机、电子管、晶体管、集成电路收音机阶段，目前正朝着DSP收音机、网络收音机、数字音频广播收音机的方向发展。收音机的发展史也从一个侧面反映了世界电子技术的发展历史。在收音机发展历史中，超外差电路结构占有极其重要的地位，世界上99%的无线电收音机、电视、卫星地面站等都是利用超外差电路的工作原理进行工作的。超外差电路是美国工程师阿姆斯特朗于1913年发明的，所谓超外差是指通过输入谐振回路把发射台发射的高频调幅波频率选择并接收下来，再和本地振荡回路产生的本振信号一起送入混频电路中进行非线性变换，产生出两个频率相减后的差频信号，再经过中频谐振回路选择出差频频率，得到一个固定的中频调制波。调幅中频国际上统一固定为465kHz或455kHz。该固定中频频率比发射台发射的高频信号低，又比音频信号高，该固定中频被称为超音频信号，所以将这种接收方式称为超外差接收方式。另一种说法是：本地振荡电路产生的振荡信号比接收端的信号频率高一个固定中频，当接收信号频率变化时，本振信号也随之改变，时刻保持两者频率之差为固定中频，所以称为超外差。超外差AM接收机的工作是：从天线接收到的广播高频调幅信号，通过输入并联谐振回路选频，选出所需要的电台频点送到变频电路，高频调幅信号在变频电路中与本机振荡器产生的高频等幅本振信号进行非线性变换，得到固定频率的中频调幅信号（固定中频为465kHz或455kHz）。在变频环节，被改变的只是接收到的调幅波的载波频率，调幅波振幅的变化规律（调制信号，即发送的声音）并未改变。输入回路的调谐与本振频率的自动改变是通过同轴双联可变电容实现的。双联可变电容的一联接入输入谐振回路中，另一联接入本振谐振回路中，这两个谐振频率能同步变化，从而使两者的频率差值始终保持近似一致，该差值就是固定中频值。本振频率比输入谐振回路频率高一个固定中频值。变频之后的固定中频信号再通过选频回路选出，被送到中频放大电路中放大。放大后的中频信号接下来送入检波器进行幅度检波，从而还原出音频信号，然后再通过低频电压放大和后级的功率放大，推动扬声器工作，从而还原出被发射的声音。超外差式接收机由输入调谐、本振电路、变频、选频、中频放大、检波、低频放大、自动增益控制、功率放大等部分组成。超外差式接收机的优点是：灵敏度高、选择性好、通频带宽、工作稳定。缺点是：有镜频干扰（比接收信号高两个中频的干扰信号）、线性度差。超外差接收机的框图如图1.1所示：图1.1 超外差收音机原理框图1.4 软件无线电技术用于AM接收机设计的可行性分析按照软件无线电的基本要求，一个理想的软件无线电系统应该是完全数字化的系统，即从天线接收下来的信号，直接进行模数变换（ADC），随后的处理均在数字域内由软件进行各种处理。比如在模拟域设计同时具有线性相位和陡峭下降沿的滤波器是相当困难的，而在数字域中用软件很容易就能实现，在数字域实现信号处理功能是不需要经过复杂的调谐过程，也不需要多级同步。理想软件无线电接收系统如图1.2所示。这种理想的软件无线电接收机在工作频率达几百兆赫兹以上的无线系统中是不可能实现出来的，主要原因是：对射频信号进行带通采样所需的采样速率至少是射频工作带宽的两倍，为了降低量化噪声，要求ADC有较高的采样位数和较宽的无失真动态范围，目前的ADC器件还不容易这些要求。另外，能覆盖多个频段的宽带天线，目前的技术水平下也无法实现。解决问题的办法就是在天线和ADC之间加入射频前端模块，原因如下：现代民用及军用设施使用电子设备繁多，导致电磁环境复杂，相互干扰严重。接收天线收到的射频信号非常复杂，接收到的信号强弱有很大的差别，信号最强的并不一定是需要的信号，需要接收的信号幅度可以很微弱。以短波通信设备为例，发射机的残余信号在接收机输入端产生的电平达120dBV（即13dBm）或更高。而接收机所需接收的微弱信号电平可能仅-60dBV（即-117-113dBm）。因此，要求接收机处理的信号动态范围高达120126dB。另外，高电平干扰信号与所接收信号频率仅相距数十千赫，所以，高电平干扰信号和它们在接收机中产生的互调产物会严重影响接收机的输出信噪比。为了降低这种影响，就要求在接收机天线后面增加射频前端模块。射频前端模块一般都要具有以下性能：（1）较高的选择性，使接收机的动态范围尽可能大；（2）高线性度，在信道滤波之前，降低带外高电平干扰信号在信道滤波器通带内产生的互调产物；（3）极低的本振相位噪声，以免邻近频点的干扰信号将本振噪声转换到接收机信道带宽内。接收机射频前端模块是实现接收机动态性能的关键部件，它工作于中频放大器之前，其关键技术指标有：动态范围、互调失真、-1dB压缩点和三阶互调截获点等。但对于工作频率较低、信号带宽较窄的无线系统，比如AM、FM广播系统，采用理想的软件无线电接收机是却有可能实现的。AM广播频段的最高频率是1710kHz，每个电台的频带宽度是9kHz，故对AM信号从天线输入口直接进行模数变换，对ADC器件的要求并不高，实现模拟到数字信号的变换，对ADC器件的要求并不高。只要ADC器件的无失真动态范围足够大，实现AM接收机直接数字化是完全可行的。在数字域内进行数字、变频、滤波、AGC、解调都是较容易实现的，数字到模拟变换（DAC）及音频前级放大也很容易在单个芯片内部实现。图1.2 理想软件无线电接收机框图从理论上讲，采用软件无线电技术设计的AM接收机在性能指标上比模拟接收机更好，但实际使用时还会受到中波传播环境、天线匹配等因素的制约，这些因素直接决定着设计方案的优势能否在听觉效果上体现出来。中频广播的电波传播途径主要是靠地波传播，只有一小部分以天波形式传播。无线电波碰到导体时，就在在导体中产生感应电流，从而损耗掉一部分能量。这种使电波能量变弱的现象，称为对电波的吸收。大地是导体，对中波有较强的吸收作用，故地波传播的中波广播传播距离不远。白天时由于阳光照射使电离层密度增大，电离层变成良导体，致使以天波形式传播的一小部分中波进入电离层就被强烈地吸收掉了，难以返回地面，于是就造成白天难以收到远处的中波电台。夜晚时电离层变薄，密度变小，导电性能变差，对中波的吸收作用降低，中波的传播距离会更远些。所以夜晚收听到的中波电台数量就多些。城市的高层建筑越来越多，对广播信号的屏蔽作用越来越强，严重地减弱了中波信号的场强，使接收到的广播信号极其微弱。实验时，可以把接收装置放置在空旷的场地，在楼内实验时，要放置在凉台、窗台处。造成中波广播接收效果差的另一个重要因素是电磁环境恶化。现在，各种家用电器用具（日光灯、电视机、电脑、微波炉、电磁炉、充电器）越来越多，工业用的电动机、电焊机也随处可见，无线通信有多种制式的网络在运行，还有多种专网通信设备在运行，这些因素都会导致中波广播的电磁环境严重恶化。采用软件无线电技术的AM接收机，在天线输入端口并不采用输入谐振电路，对天线进来的信号没有经过选频，会有多种频率的干扰信号进来，这也会导致接收效果变差。1.5 本文的工作本文承担课题的设计任务要求是：（1）能接收到150kHz1710kHz的AM广播节目。（2）要求ADC尽量靠近天线。（3）设计并实现AM接收机。本文就是按照课题的要求，设计并实现基于软件无线电技术的AM接收机。本文采用美国芯科实验室生产的支持AM/SW/LW/FM频段广播的无线接收专用芯片Si4734，作为接收主芯片，通过单片机对Si4734进行参数设置，把AM接收所需的基本参数设置进去。再通过LCD液晶屏把Si4734的工作状态显示出来。Si4734的输出经过音频功率放大芯片放大，送给扬声器产生出可听得到的声音。1.6 本文的章节安排第一章为绪论部分，先简要地介绍软件无线电的产生、特点及应用，接着简述了超外差接收机的基本原理，易受外界电磁干扰的原因，然后陈述了设计基于软件无线电的AM接收机的可行性。第二章详细描述了基于软件无线电的AM接收机硬件电路设计内容。包括：方案选择、总体设计思路、单片机最小系统设计、LCD液晶屏电路设计、收音主芯片电路设计、功放电路设计、稳压电源电路设计等内容。第三章详细叙述了基于软件无线电的AM接收机软件设计内容。包括：LCD液晶屏应用程序设计、Si4734应用程序设计等内容。第四章的内容是电路调试与实验结果部分，包括硬件电路调试，程序软件调试和实验结果描述。第五章是本文的总结，主要叙述了个人在软、硬件设计和调试过程中的心得体会，并展望了本课题后续完善的方向。2 基于软件无线电的AM接收机硬件设计2.1 方案选择课题任务要求，运用软件无线电技术设计AM接收机，该接收机的工作频段在150kHz1710kHz的AM广播。而这个频率段属于中波和长波（长波广播波段为152kHz279kHz，中波波段为520kHz1710kHz）。课题还要求ADC（模数转换器）尽可能地靠近天线，也就是要求在天线和接收不之间尽可能地不要再增加选频、低噪声放大电路。根据一段时间的资料查找与材料分析，最终决定采用美国芯科实验室SILICON LABS（）生产的专用收音机芯片Si4734作为接收主芯片，该芯片的功能完全能满足课题设计的要求。经过分析发现这是一个十分理想的方案选择，使得原本复杂又繁琐的收音机电路变得简单易实现，既简化了硬件设计的要求，又降低了设计方案的资金预算。Si4734是支持广播AM/FM/SW/LW频段的无线接收专用芯片，内部集成有VCO（压控振荡器）、AFC（自动频率控制）、AGC（自动增益控制）、85dB动态范围的ADC、7级可选择的AM通道滤波器、内置低压差电压调整器、高级音频处理能力。还具有AM/FM搜索调谐功能、AM/FM/SW/LW数字调谐功能、参考时钟可通过程序设置功能、宽范围的磁棒天线或环天线直接接入芯片，此外，该芯片还支持无线数字广播（RDS）。Si4734支持两线I2C接口或三线SPI接口，通过微处理器可直接对它进行参数设置或读取。Si4734可选择两种供电电压，数字部分必须采用1.623.6V的数字供电电压，模拟部分可选择2.75.5V的供电电压。单片机的选择。选用Atmel公司的AT89LS52单片机比较合适，该单片机既控制Si4734，还要控制LCD液晶屏的读写。AT89LS52是普通的8位51系列单片机，有三组IO口，支持ISP编程，可用3.3V供电，保证能与Si4734的数据接口之间有较好的电平匹配能力。在实际购买阶段，没能买到AT89LS52，只弄到两片AT89LS51。AT89LS51的ROM只有4K，比AT89LS52的ROM少4K，其它方面都相同。这对单片机程序的编写有些限制，编程时需要优化，保证程序能下载到ROM中去。单片机程序下载器选择。AT89LS51虽然支持ISP下载功能，是采用串口、并口还是USB下载还经过了一番调研，现在的笔记本电脑很少配备串行接口了，所以决定用USB作为单片机的程序下载口。这就需要一个USB到JTAG（ Joint Test Action Group，联合测试行动小组，是一种国际标准测试协议，与IEEE 1149.1兼容）接口转换的下载线。LCD液晶屏的选择。深圳金鹏公司的液晶屏OCMC2X16A，是一款普通的液晶屏，价格也不高。它支持两行显示，每行能显示15个字符，内部没有汉字字库。OCMC2X16A是5V供电的，其数据口的电平也是5V的TTL电平，通过查阅资料，发现它的数据口电平是：输入高电平VIH最小值是2.2V，输入低电平VIL最大为0.6V，输出高电平VIH最小值是0.9V，输出低电平VIL最大为0.5V。故用3.3V供电的AT89LS51也能达到与OCMC2X16A数据口之间电平匹配的功能，无需再另外增加电平转换芯片。音频功率放大器的选择。选用ST公司的TDA2822M作为音频放大器芯片，该芯片需要的外围器件较少，在使用16欧姆耳机作为负载时，可输出170mW的功率，能满足实验使用的需要。该功放芯片的供电范围比较宽，且是DIP封装的，也方便在面包板上装配。晶振的选择。本设计方案中需要两个晶振，一个给单片机AT89LS51使用，选用插脚封装的11.0592MHz的晶体；另一个是给Si4734使用的，参考资料中要求晶振的频率必须是32.768kHz，就按照要求选用插脚式的普通晶体。电源稳压芯片的选择。设计方案中选用两个电源稳压芯片，一个是普通的LM7805A，它输出固定的5V电压，用它为LCD液晶屏、音频功率放大器供电。第二个稳压电源芯片选择Sipex公司的SPX1117M-3.3,它输出固定的3.3V电压，有0.8A的电流输出能力，用它为Si4734、AT89LS51供电。查阅SPX1117的资料，发现它的输入可以直接从电源适配器引入，就可以获得3.3V的电压，不必经过LM7805A的输出端5V再送入SPX1117做二次转换。电源适配器的选择。因为LM7805A要求输入与输出端口之间最小的电压差要大于2V，SPX1117M-3.3只要求输入输出压差为1.2V。选用的电源适配器输出电压为7V时比较合适，LM7805A、SPX1117上的压差比较小，损耗会小，发热量就不高。实际找适配器时没找到输出7V的，手头刚好有一款输出电压有18V的一款，通过查阅这两个稳压芯片资料，发现LM7805A最大可承受35V的输入电压，SPX1117最大可承受20V的输入电压，我手头的这个电源适配器也能凑合着使用，无需再买新的。天线的选择。按照Si4734设计指导中的介绍，天线的电感量要介于220600uH之间，才能较好地接收中波AM广播信号。为了获得较好的接收灵敏度，减少空间环境的电磁干扰，采用外置的中波环形天线，再配备一个匝数比为1:5到1：7的变压器是个比较的选择。花了较大的精力也没买找到这种中波环形天线。只好采用磁棒中波天线，但现在市面上连普通的磁棒也不容易买到，最后只能找个微形收音机，把其中的磁棒天线拆下来使用。根据实际的调试情况，如果效果差，再自已动手绕线圈。2.2 设计方案的总体思路本文所设计的基于软件无线电的AM接收机的方框图如图2.1所示。本设计方案的信号流程是这样的：磁棒天线感应到AM广播信号后直接送给接收芯片Si4734,由Si4734处理接收相关的功能，然后输出音频信号给功率放大器TDA2822M放大，然后通过耳机输出。Si4734的属性设置及内部参数读取均通过单片机AT89LS51，读取的参数显示在液晶屏上。单片机的程序通过ISP下载线从笔记本电脑中下载到单片机中。Si4734内部处理接收信号的过程是：从AMI口接收到的广播射频信号先送入LNA（低噪声放大器）中放大，LNA的增益由AGC（自动增益控制）控制，放大后的信号送入混频器中，本振信号由芯片内部的NCO（数字控制振荡器）提供，NCO的频率由AFC电路（自动频率控制）校准。混频后的信号送入ADC（模数转换器）中变成数字信号，数字信号再送给DSP单元处理中进行解调、滤波等处理，处理完后再送给DAC（数模转换器）变换成模拟信号。 图2.1 基于软件无线电的AM接收机框图2.3 AT89S52单片机的电路设计2.3.1 芯片简介AT89LS51是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有4K 在系统可编程Flash 存储器。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，芯片具有以下标准功能：4k字节Flash，256字节RAM，8 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口片内晶振及时钟电路。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89LS51 单片机的供电范围是2.7V4.0V，有PDIP ,PLCC 和TQFP 等3种封装形式，本设计采用PDIP封装形式，方便在面包板上装配。图2.2是AT89LS51的管脚分布图。图2.2 AT89LS51 单片机管脚排列2.3.2 单片机最小系统设计单片机最小系统设计时，几个功能引脚必须注意：EA/VPP引脚要接3.3V电源，表明程序只存放在片内存储器中。PSEN脚、ALE脚不用，悬空即可。复位脚RST是高电平复位有效，复位开关一端接3.3V电源，另一端通过10k电阻接地，复位开关两端跨接一个10uF的电容。复位开关未按下时，RST引脚通过10k电阻到地，是低电平。当复位开关按下时，3.3V电压加在10k电阻上，使RST引脚为高电平，达到复位效果。引脚40接3.3V电源，引脚20接地，其它引脚作为普通IO脚使用。单片机18，19脚接入晶振和两个电容。晶振的作用是给单片机正常工作提供稳定的时钟信号，晶体振选用11.0592MHz的插脚晶体。而基于晶振的振荡器通常能提供非常高的初始精度和较低的温度系数。与晶振相连接的这两个电容叫做晶振的负载电容，电容的大小会影响晶振的谐振频率和输出幅度。当这两个电容相等的时候，其反馈系数为0.5，则可以满足震荡条件，但是如果不易起振或者震荡不稳定则可以减少输出端对地电容量。我选用2个30pF的陶瓷贴片电容，实测时能满足正常起振的要求。单片机所用的3.3V电源由SPX1117的输出端提供。单片机最小系统原理图参见图2.3所示。图2.3 单片机最小系统原理图2.3.3 单片机及控制电路设计（1）液晶屏电路设计设计时用AT89LS51的P0端口控制液晶屏。因P0端口是漏极开路的8位双向I/O口，在Flash编程时，P0口也可用来接收指令字节。在程序校验时，输出指令字节，此时需要外接上拉电阻。实际设计时，在AT89LS51的第32至39引脚中接入10K的排阻，这样做的目的是给信号线提供一个驱动电压，也就是上拉的作用。这样做的目的是使数据传输更稳定，传输距离更远，也是用来抵消线路中内阻对信号的损耗。在这里，我们必须知道的是，当一个排阻由n个电阻构成时，那么它就有n+1只引脚，其中印有明显“点”标志的那个引脚即为排阻的公共脚。根据原理图可以知道我将让此公共脚与3.3V电源连接上了。设计时所选用的液晶屏是深圳金鹏公司的产品，型号为OCMC2X16A。它能显示两行字符，其中每行16个字符。背光为LED，颜色为黄绿色。所需驱动电压的最小值为4V，最大值为10V。下面对OCMC2X16A的各个引脚来进行一下简要地介绍。液晶屏的1脚VSS为电源地。2脚VDD为电源电压脚。3脚V0为LCD外接驱动电压（可调，一般设为0.8V）。4脚为RS（当RS=H，表示选择数据寄存器，即读写数据时使用。当RS=L，表示选择指令寄存器，即写指令时使用）。5脚R/W为读写选择信号（H：读操作，L：写操作）。6脚为使能位，其中写操作时，信号下降沿有效；读操作时，为高电平有效。7至14脚（DB0至DB7）为数据引脚。15脚LED+为背光电源正。16脚LED-为背光电源地。液晶屏的数据引脚7至14脚与AT89LS51的P0口相连（P1.0接DB0，P1.7接DB7）。OCMC2X16A是5V供电的，其数据口的电平也是5V的TTL电平，通过查阅资料，发现它的数据口电平是：输入高电平VIH最小值是2.2V，输入低电平VIL最大为0.6V，输出高电平VIH最小值是0.9V，输出低电平VIL最大为0.5V。故用3.3V供电的AT89LS51也能达到与OCMC2X16A数据口之间电平匹配的功能，无需再另外增加电平转换芯片。液晶屏的控制脚RS与单片机的P2.0脚相连，RW与单片机的P2.1脚相连，使能脚E与单片机的P2.2脚相连。为方便在面包板上连线，液晶屏的三个控制引脚、单片机对应的三个引脚附近分别引出3个单排插针，测试时用压接好的3根排线连接即可。液晶屏的3脚V0通过一个1k的电位器控制，电位器一端接5V电源，另一端接地。液晶屏的VDD引脚、LED+引脚直接接5V的电源。该5V电源由LM7805A的输出端提供。为方便安装，液晶屏的安装固定座采用单排座接插件固定在面包板上，单排座与单片机PO口之间通过8芯排线相连。使用时在确保安装顺序正确的情况下，能方便地拆装液晶屏。单片机与液晶屏连线的原理图参见图2.4。 图2.4 单片机控制电路原理图（2） ISP在线下载接头设计因为我使用的单片机型号为AT89LS5的，此型号的单片机支持在系统可编程功能，即不需要专门的编程器就可以从笔记本电脑上直接下载程序到单片机中。这样下载就需要一根专用下载线，接笔记本电脑的一端用USB接口，接单片机最小系统面包板的一端用JTAG标准的接头。该下载线是直接购买来的，本设计只做了面包板上JTAG接头的设计。JTAG下载接头采用防呆的10芯接插件，安装在面包板上的接插件为针式。其中1脚MOSI连接到单片机的MOSI口，3脚悬空不用，7脚SCK连接到单片机的SCK口，9脚MISO连接到单片机的MISO口。5脚接单片机的复位脚。10芯接插件的4、6、8、10脚直接接地。2脚可以把USB接口提供的5V电压引到到面包上使用，考虑到测试时总离不开电脑并不是很方便，用外接线较长的电源适配器提供电源，将会给测试带来较多的方便。因此，实际设计时并没使用该引脚，直接悬空即可。ISP在线下载接头的连接电路图参见图2.4。（3） Si4734控制线设计使用Si4734时，设定它的工作模式是：2线控制模块，使用外部提供的32.768kHz晶振。因此，Si4734只需要3根控制线与单片机相连即可。这3根线分别是串行读写数据线SDIO、串行时钟线SCLK、复位控制线RST。设计时，SDIO线与单片机的P1.0相连，SCLK线与单片机的P1.1相连，RST线与单片机的P1.3相连。Si4734控制线与单片机之间的实现连线参见图2.4所示。（4） 外接按键及开关控制线设计为方便调试，在设计时用了4个按键式开关，分别用于向上选台、向下选台、向上调音量、向下调音量。另外，用了一个单刀双掷开关实现AM/FM接收方式切换，当开关S1搬到3.3V位置时，设置的接收模式为FM，当开关S1搬到GND位置时，设置的接收模式为AM。刚开始时，单刀双掷开关S1也用按键开关，实验时发现接收模式的切换不可靠，才修改为采用现在的用单刀双掷开关S1切换的方式。因为AT89LS51单片机还有一些I/O口未使用，所以设计时采用把按键和开关直接连到I/O引脚上的方式实现，免去了矩阵键盘扫描时编程的麻烦。设计时，4个按键和1个开关分别与单片机的P2.1、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5引脚相连，具体连线图参见图2.5所示。图2.5 外接按键及开关的连线原理图2.3.4 +5V、3.3V稳压电源设计电源设计的考虑是：先用一个外置的适配器把220V的交流变为直流，在面包板上再对适配器输出的直流电压进行稳压，得到接收机系统工作时需要的5V、3.3V电源。 因为LM7805A要求输入与输出端口之间最小的电压差要大于2V，SPX1117M-3.3只要求输入输出压差为1.2V。选用的电源适配器输出电压为7V时比较合适，LM7805A、SPX1117上的压差比较小，损耗会小，发热量就不高。实际找适配器时没找到输出7V的，手头刚好有一款输出电压有18V的一款，通过查阅这两个稳压芯片资料，发现LM7805A最大可承受35V的输入电压，SPX1117最大可承受20V的输入电压，就直接使用这个现成的电源适配器作为实验板的输入电源变换器。5V电压由三端稳压芯片LM7805A提供。此稳压器的输入电压：最大为35V，最小为7V，输出电压：最大5V，输出电流最大：1.5A，封装类型:TO-220。能满足设计需要。3.3V电压由三端稳压芯片SPX1117M-3.3提供。因为担心LM7805A提供的电源不足以供板上所有器件使用，故在设计3.3V电源时，没有采用从LM7805输出的5V电压上转换，而是直接从电源适配器的输出端直接引入到SPX1117M的输入端，即由18V直接稳压到3.3V。电源电路设计参见图2.6所示。图2.6 5V、3.3V电源电路设计原理图2.3.5 收音机芯片Si4734周围电路设计（1）芯片介绍美国芯科公司（Silicon Labs）的这款芯片支持长波频段153279kHz，还支持全球范围内的所有AM 频带, 即5201710 kHz，可以在全频带扫描自动搜索 ，同时支持48 个 AM 电台存储，根据RDS信息自动调整时间/ 日期，切换备选频率(AF)自动检测并设置AM步长，可调整的参数包括：信道步长，自动搜索有效台时SNR/RSSI 参考门限值，软静音的SNR/RSSI参考门限值，信道滤波器带宽，立体声和单声道的混合度门限值，频带的上下端限制，预加重时间(50 us or 75 us)，AM 步长检测判断的门限值，AM/FM 信道频率显示及信道信号质量显示等功能。该芯片的内部构成原理框图如图2.7所示。它将天线输入至音频输出的所有功能全部集成于单颗芯片上，这极大地简化了电路的设计过程。得益于先进的数字架构，Si4734还是一种不需人工调校的AM收音机芯片，其内置的变容器与自动校准功能可以支持各种天线，可以使生产效率大幅提高。Si4734接收机芯片集成了完整功能的天线输入到音频输出，这其中包括了一个立体声模拟信号转换为一个数字信号。这个功能能使得消费电子成本更加有效，也使得产品拥有很好的噪声免疫力，射频性能以及高保真音频功率放大。因为它的高度集成，也节省了大量的空间。此芯片只需要很少的外部元器件就可以实现基本功能。并且该接收机在AM、FM、SW和LW频段提供了卓越的射频性能和干扰抑制能力。高集成度的设计既简化了设计难度也提高了系统的质量，同时提高了可靠性和可制造性。此外，该收音机芯片也提供了模拟和数字输出的一个可编程参考时钟。设备支持两线控制接口和一个后向兼容的三线控制接口。在操作模式环节，该芯片在AM模式下接受无线电信号对AMI的前端电路处理，如果使用数字音频输出则使用DOUT,DFS,DCLK引脚。芯片支持全球AM波段从520到1710千赫兹，并且使用数字低中频，这一数字低中频架构允许高精度过滤提供优异的选择性和高信噪比的最小的变化在AM波段。DSP还提供了可调信道的步长大小在1千赫的增量，AM的解调，软静音，七种不同的信道带宽的滤波器和额外的功能，如可编程自动音量控制（AVC）最大增益允许用户调整的背景噪声水平。Si4734通过采样在复位引脚(RST)上升沿时，GP01和GP02引脚的状态来决定采用哪种控制方式，其控制方式与GP01和GP02引脚状态的对应关系如表l所示。GP01引脚内置了上拉电阻而GP02引脚内置了下拉电阻，因此当需要GPOl为低电平或GP02为高电平时，必须由外部提供驱动，如表1所示。笔者采用将GP01与GP02分别与单片机的38，39脚相连。引脚SEN(16脚)用来确定Si4734的I2C(InterIntegrated Circuit)器件地址：SEN接地，地址为0x22H；SEN接高电平，地址为0xC6H。表1.1 2线/3线控制模式配置时管脚电平设置 图2.7 Si4734内部结构原理性框图（2）Si4734应用设计1） 控制方式设计。选用Si4734默认的2线控制方式，设计时把SEN引脚直接连接到地，并保持GPO1、GPO2脚悬空，就可以保证Si4734的控制方式为2线控制方式。2） 晶振设计。选择用32.768 kHz的晶振为Si4734提供RCLK时钟的工作方式，该晶振接在Si4734芯片的RCLK和GP03引脚)上。晶振的负载电容选用30pF的瓷片电容。3） FM天线匹配设计。FM天线采用拉杆天线，通过1nF的陶瓷贴片电容连接到Si4734的FMI端口，另在端口处接入一个120nH的电感到地。4） AMI天线匹配设计。AM天线一端通过0.47uF的陶瓷贴片电容连接到Si4734的AMI端口，天线的另一端接Si4734的RFGND端，RFGND端直接与地相连。5） Si4734芯片电源处理。模拟电源端VA直接接3.3V电源，数字电源端VD也接3.3V电源，该端口通过100nF的去耦电容到地。DBYP引脚通过一个22nF的电容连接到3.3V电源上。6） 控制引脚设计。Si4734只需要3根控制线与单片机相连即可。这3根线分别是串行读写数据线SDIO、串行时钟线SCKL、复位控制线RST。设计时，SDIO线与单片机的P1.0相连，SCLK线与单片机的P1.1相连，RST线与单片机的P1.3相连。7） Si4734安装方式设计。因Si4734的封装是小尺寸的SSOP封装，引脚中心间距只有25mil（即0.635mm），直接焊接在面包板上是不现实的。从电子市场买到一块小SSOP封装转大SSOP封装的单片PCB转接板，该转接板上留有间距100mil（即2.54mm）的通孔，利用这块转接板就解决了Si4734的安装问题。实现焊接时，先把Si4734焊在转接板上，另在转接板的通孔焊上单排插针，并在面包板上焊上两行单排座，把焊有Si4734的转接板直接插在面包板的单排座上。Si4734外围电路原理图参见图2.8。图2.8 Si4734外围电路原理图2.3.6 音频放大电路设计电路音频放大电路使用的是普通的TDA2822M芯片。TDA2822M是意法半导体(ST)公司的双通道单片功率放大集成电路，此芯片的特点是电源电压范围宽（1.815V），电源电压低至1.8V时仍能工作。静态电流小，交越失真小，适用于单声道桥式（BTL）或立体声线路两种工作状态。选用的芯片是双列直插8脚塑料封装（DIP-8）。TDA2822M的两个输入引脚P7、P8分别通过100uF的电解电容接到Si4734的Lout、Rout引脚上，这两颗电容作为隔直电容使用。另外，P7、P8引脚与地之间分别再跨接10k的电阻。输出引脚P1、P3分别通过100uF的电解电容接到耳机座的两个输入端上，同时，P1、P3引脚分别通过串联的电容与电阻再连接到地。TDA2822M的P5、P8脚通过100uF的电解电容到地。该芯片的使用比较简单，调试工作量不多。图2.9是功率放大电路的实际原理图。 图2.9 音频放大电路原理图2.3.7 完整的电路设计原理图 3 应用程序设计3.1 软件开发环境简介在应用程序设计时，使用Keil uVision作为开发工具。下面简要地介绍下这个开发工具的基本情况。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些部分组合在一起。这个开发环境的优势有：（1）Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解，在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。（2）与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。用过汇编语言后再使用C来开发，体会更加深刻。我将使用最新的Keil uVision4软件，这个软件是2009年2月发布的有点在于引入灵活的窗口管理系统，使开发人员能够使用多台监视器， 并提供了视觉上的表面对窗口位置的完全控制的任何地方。新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口， 提供一个整洁，高效的环境来开发应用程序。新版本支持更多最新的ARM芯片，还添加了一些新功能。3.2 液晶屏OCMC2X16A指令简介由于单片机可以直接访问OCMC2X16A模块内部的IR（指令突破口）和DR（数据寄存器），作为缓冲区域，IR和DR 在模块进行内部操作之前，可以暂存来自单片机的控制信息。这样就给用户在单片机和外围控制设备的选择上，增加了余地。模块的内部操作由来自单片机的RS、R/W、E以及数据信号DB决定，这些信号的组合形成了模块的指令。OCMC2X16A的指令可以分为四大类：（1）模块功能设置指令，诸如：显示格式、数据长度等；（2）设置内部RAM地址指令；（3）完成内部RAM 数据传送指令；（4）完成其他功能指令。一般情况下，内部RAM的数据传送的功能使用最为频繁，因此RAM中的地址指针所具备的自动加一或减一的功能，在一定程度上也减轻了单片机的编程负担。此外由于数据移位指令与写显示数据可同时进行，这样我们就能以最少系统开发时间，达到最高的编程效率。这里特别值得一提的是，在每条指令访问LCD模块之前，单片机首先要检测LCD的“忙”标志BF，确认LCD不忙后（即BF=0），访问过程才能进行，记住这一点十分重要。在这里我将介绍几个重要的指令，这些指令将为在应用程序设计时使用。（1）Clear display 清显示，指令码是：RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00000000001清显示指令（指令代码为0x01）将空位字符码20H 送入到全部的DDRAM 地址中，使DDRAM地址中的内容被全部清除，进而显示消失；地址计数器AC=0，自动增1模式；显示归位，光标或者闪烁回到原点（显示屏左上角）,但并不改变移位设置模式。（2）Return home归位，指令码是：RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0000000001*在这里，归位指令（指令代码为0x02）使得置地址计数器AC=0；将光标及光标所在位的字符返回到原点；但DDRAM中的内容却并不发生改变。（3）Entry mode set 设置输入模式，指令码是：RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB000000001I/DSI/D表示字符码写入或者读出DDRAM 后DDRAM 地址指针AC变化方向标志：I/D=1，完成一个字符码传送后，光标右移，AC自动加1；I/D=0，完成一个字符码传送后，光标左移，AC自动减1；S：显示移位标志：S=1，将全部显示向右（I/D=0）或者向左（I/D=1）移位；S=0，显示不发生移位；其中，当S=1 时，显示移位时，光标似乎并不移位；此外，读DDRAM 操作以及对CGRAM 的访问，不发生显示移位。（4）Display on/off control 显示开/关控制，指令码是：RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB00000001DCB指令代码依据DB2、DB1、DB0设置的组合而定。在这里，D表示的是显示开/关控制标志：当D=1，开显示；当D=0，关显示；关显示后，显示数据仍保持在DDRAM中，立即开显示可以再现；C：光标显示控制标志：当C=1，光标显示；当C=0，光标不显示； 其中不显示光标并不影响模块其它显示功能；当显示5X8 点阵字符时，光标在第八行显示，显示5X10 点阵字符时，光标在第十一行显示；B：闪烁显示控制标志：B=1，光标所指位置上，交替显示全黑点阵和显示字符，产生闪烁效果，Fosc=250kHz时，闪烁频率为0.4ms左右；通过设置，光标可以与其所指位置的字符一起闪烁。（5）Set DDRAM address DDRAM地址设置， 指令码是：RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB0001Add6Add5Add4Add3Add2Add1Add0DDRAM 地址设置指令设置DDRAM 地址指针，它将DDRAM 存储显示字符的字符码的首地址ADD6ADD0送入AC中，于是显示字符的字符码就可以写入DDRAM 中或者从DDRAM 中读出；值得一提的是：在LCD 显示屏一行显示方式下，DDRAM 的地址范围为：00H4FH；两行显示方式下，DDRAM的地址范围为：第一行00H27H，第二行40H67H。特别要注意的是：写显示数据到DDRAM中时，一定要在当前写的地址上加上DDRAM的D7位标志1才能正确地显示出来。例如：若在第1行的第5个位置上写字符时，设定地址的指令要用的格式是：0x05|0x80。（6）Read busy flag and address 读忙标志BF和AC，指令码是：RSR/WDB7DB6DB5DB4DB3DB2DB1DB001BFAC6AC5AC4AC3AC2AC1AC0当RS=0、R/W=1时，在E信号高电平的作用下，BF和AC6AC0被读到数据总线DB7DB0相应位；BF：内部操作忙标志，BF=1，表示模块正