（电路与系统专业论文）基于IEEE802154标准的电子导游系统设计[电路与系统专业优秀论文].pdf

浙江大学硕士论文摘要 摘要 我国历史悠久，旅游资源丰富，近年来随着社会经济的快速发展和人民生活 水平的不断提高，使得国内旅游业蓬勃兴起及长足发展，每年为国家创下了数以 亿计的财富，我国已经成为世界四大旅游热点地区之一。 传统讲解导游方式正在被各种电子导游设备所代替，以自动讲解器为代表的 设备导游将会是主流，而结合嵌入式系统技术、无线通信技术和信号处理技术的 电子导游产品已经成为当前旅游业发展技术中的研究热点。 本课题通过对现有电子导游设备的优缺点分析，提出了以8 0 2 1 5 4 标准无线 通信技术，结合s p e e x 低速率语音编解码器，构建无线导游系统的设计方案，主 要介绍了该导游系统的硬件设计和软件开发，重点阐述了无线语音数据通信方 法。该方法实现了两个目的，其一，游客随机进入景区某一景点能自动从头收听 导游广播信息，并且等待时间尽可能短；其二，实现了无线通信中的丢包补偿， 提高了语音播放质量。实验结果表明，在1 5 米的通信范围内，丢包率在1 5 ， 音质m o s 测试分达到3 分以上，达到了设计的预期目标。 无线语音导游系统结合了短距离无线通信技术和数字语音技术，系统成本 低，导游信息更换灵活方便，将会有很好的应用前景。 关键词：电子导游；i e e e 8 0 2 1 5 4 标准；s p e e x ；数字通信 浙江大学硕士论文 a b s t r a c t a b s t r a c t t h e r ea leal o n gh i s t o r ya n dr i c ht o u r i s mr e s o u r c e si nc h i n a ，i nr e c e n ty e a r s ，t h e d o m e s t i ct o u r i s ms e r v i c e sa l eb o o m i n ga n dr a p i d l yd e v e l o p i n g ，w i t ht h er a p i d s o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h ec o n t i n u o u si m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gl e v e l ， w h i c hm a k ea na n n u a lr e c o r do fh u n d r e d so fm i l l i o n so fw e a l t hf o rt h ec o u n t r y c h i n a h a sb e c o m eo n eo ft h ew o r l d sf o u rm a j o rt o u r i s mh o ts p o t s t h et r a d i t i o n a lg u i d i n gm e t h o d sa r eb e i n gr e p l a c e db yav a r i e t yo fe l e c t r o n i cg u i d e d e v i c e s ，a n dt h ea u t o m a t i ce x p l a i n a t i o nd e v i c ew i l lb et h em a i np r o d u c t w h i l et h e c o m b i n a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m s ，w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，a n ds i g n a lp r o c e s s i n g t e c h n o l o g yh a sb e c o m ear e s e a r c hf o c u sf o rt h et o u r i s mg u i d i n gs y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo ft h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n to nt h em a r k e ti sa n a l y z e d ，ad e s i g n m e t h o df o rt h ew i r e l e s st o u r i s mg u i d i n gs y s t e mi sp r o p o s e d ，w h i c hc o m b i n e st h e 8 0 2 15 4s t a n d a r df o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sw i t ht h el o w - r a t ev o i c ec o d e cs p e e x t h ep a p e ri n t r o d u c e st h es y s t e m sh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，a n d f o c u s e so nt h ew i r e l e s sv o i c ea n dd a t ac o m m u n i c a t i o n ，w h i c ha c h i e v e st w op u r p o s e s ， f i r s t ，t h et o u r i s t sw h or a n d o m l ye n t e ras h o wc a na u t o m a t i c a l l yr e c e i v ea n dp l a yt h e g u i d i n gi n f o r m a t i o n ，a n dt h ew a i tt i m ei sa ss h o r ta sp o s s i b l e ，a n ds e c o n d l y , t h ev o i c e q u a l i t yi si m p r o v e db yt h ep a c k e tl o s sc o m p e n s a t i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t t h ep a c k e tl o s sr a t ei s1 5 i n15m e t e r st r a n s m i s s i o nd i s t a n c e ，a n dt h em o st e s to f v o i c eq u a l i t yi sm o r et h a n3p o i n t s t h ew i r e l e s ss p e e c hg u i d i n gs y s t e m ，ac o m b i n a t i o no fs h o r t r a n g ew i r e l e s s c o m m u n i c a t i o na n dd i g i t a ls p e e c hp r o c e s s i n g ，h a sal o w e rc o s ta n di se a s yt ou s e ，t h e r e w i l lb eaw i d ea p p l i c a t i o ni nt o u r i s ms e r v i c e s k e y w o r d s ：v o i c eg u i d i n gs y s t e m ；i e e e 8 0 2 15 4 ；s p e e x ，d i g i t a lc o m m u n i c a t i o n i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特另t l d l ：l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝堑太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：手崩氓 签字日期：沙，p 年言月。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝塑太堂有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝堑太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：知式 导师签名： 金乏 签字日期：加c6 年；月厂o h 签字日期：劢，o 年多月f 口日 致谢 非常荣幸的在浙江大学攻读硕士学位，这段求学生涯，将是我人 生最宝贵的财富。在本篇论文完成之际，表达一下感激之情，衷心感 谢我的导师金文光副教授，本篇论文在他的悉心指导下得以顺利完 成。金老师渊博的知识，严谨的态度，勤恳的科研作风，和蔼待人的 处事方式给我留下了深刻的印象。 感谢同项目组的胡锴亮、张慧芳同学，感谢你们的帮助。 感谢实验室的朱德庆、唐少华、潘新春、周冬鑫、张正宇，感谢你 们给予我课题研究和生活上的帮助，与你们渡过的这段时间是快乐难 忘的。 感谢电路二所有的老师，我的家人以及其他给予帮助的同学、朋友， 限于篇幅，名字不一一列举。 张斌 2 0 1 0 年1 月杭州 浙江大学硕：仁论文绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景和意义 旅游行业是2 l 世纪的朝阳产业之一。我国具有悠久的历史和灿烂的文化， 全国各地旅游景点星罗棋布，拥有丰富的旅游资源。据不完全统计，目前我国已 被世界教科文组织认定的世界文化遗产多达近3 0 处。每年旅游业为国家创下数 以亿计的财富，许多省市已经把旅游行业作为当地的支柱产业。近年来，随着区 域开发战略的实施，人民生活水平日益提高，国内旅游业蓬勃发展，此外，全球 化正在使人们的时空观念发生巨大变化，国外游客逐年增加，旅游业作为一项产 业在国民经济中所占的份额越来越大，预计到2 0 2 0 年，中国将成为世界最具吸 引力的旅游目的地国家之一【lj 。 在我国的旅游市场，长期以来，游客在景区旅游时，可看的景点多，可了解 的资讯却很少，属于低层次的观感旅游阶段。9 而对于外国游客来说，由于语言的 障碍往往游览下来所知甚少。同时，各国游客的涌入给我们的旅游景区的容量带 来了压力，同时对旅游参观业服务质量提出了更高的要求，传统的导游带队讲解 模式已经逐渐不适合现代旅游发展要求。 电子导游系统是指利用电子技术、信号处理技术制造的各种导游讲解设备【l 】， 它的出现改变了原有人工导游讲解方式和方法，把电子信息技术引入旅游行业， 开发、研制具有科技含量，可靠性高，实用性强的系列旅游电子产品，无疑会给 旅游行业注入新的概念，对于提高旅游行业的服务水平和档次具有重要的现实意 义1 2 1 。使用高科技的电子导游产品，则可以很好的解决以上问题。游客无需人工 导游即可随时收听景点或展品的介绍，并且可以得到多语种的解说服务，具有费 用低、语种多、自主性强、解说规范、环保等诸多优点。电子导游作为一种科技 手段来为游客服务，能避免由于导游个人因素带来的服务质量不稳定性，为游客 提供全面客观的服务。同时，这种自主性的导游方式更加具有人性化的优点，更 符合个性化的服务。另外，多语种的电子导游可以解决小语种导游紧缺的问题， 浙江大学硕：e 论文绪论 通过专家的声音对外宾服务，对旅游地的良好形象塑造是十分有利的。 根据国家中长期科学和技术发展规划纲要和浙江省科技强省建设与“十 一五”科学技术发展规划纲要社会发展“十一五”规划的要求，要充分发挥科技对 社会事业和服务业发展的支撑与引领作用，加速我省社会事业和服务业的可持续 发展。其中的一个重要方面就是旅游发展技术，如多媒体旅游规划与导游图技术， 景区景点电子导游技术，生态旅游自助旅游的实现技术，个性化旅游服务系统建 设、多网融合的品牌旅游网站等新型旅游技术。 随着消费水平的提高和强劲的旅游发展势头，以及对个性化旅游的迫切要 求，电子导游将拥有广阔的发展前景。 1 2 国内外研究现状和发展趋势 目前，一些发达国家的重要旅游景点大都采用电子导游讲解器，在一些博物 馆等室内展馆，基本上取消了人工导游讲解。采用了非导游讲解的电子导游器， 例如采用先进的数码技术供游客自由选听的“数码播放机”，另外利用视频与网络 技术将重要文物做成视频图像和配上解说供参观者观赏的“视频讲解系统”，还有 在固定景点上使用的而且最方便管理的“投币方式电子导游机”。近几年来，国内 的一些著名旅游景点也开始引入电子导游服务，但其应用主要还停留在数码按键 播放机和触摸式视频讲解系统上，前者如陕西黄帝陵、广西桂林漓江、天津博物 馆等，每到一个新景点按一下相应的键，然后就可以听到讲解词；后者如广州陈 家祠、苏州观前步行街等，游客通过触摸屏幕上的按钮，得到景区景点、“老字号” 店铺、美食休闲、娱乐购物、交通出行等各方面的咨询服务。真正的每到一处景 点都能自动识别并讲解的电子导游设备，目前只有北京的几个著名旅游景点能够 提供，如北京故宫、颐和园、北海公园、北京天坛等等。 总的来讲，国外国内的语音电子导游设备从技术来讲主要有三种： ( 1 ) 终端配备大容量存储器件，存储全部语音内容，通过人工操作或红外 等无线信号控制讲解；游客根据旅游景点对应的数字编号，按下导游解说机上对 2 浙江大学硕士论文绪论 应数字键，再按下播放键，播放预先存储在导游解说机内的景区信息； ( 2 ) 采用f m 调频调制形式，导游主机在某频率点无线广播语音内容，其附 近的接收机接收广播并播放，从而避免每个终端都需要存储语音内容；无线接收 方式的导游系统由多台无线调频发射机和游客接收机构成。在旅游景区的重要景 点放置调频发射机，将解说内容预先存贮在发射机内。发射机开始工作后，一种 或多种语言的导游解说信号通过发射天线发射出去。游客通过手中的接收机在景 点周围收听适合自己语种的导游解说。 ( 3 ) 每个终端通过无线上网，在网络上检索下载相应旅游景区的多媒体数 字信息，具有一定的交互功能。 第一类采用人工操作则智能化比较低，无法自动播放，采用红外等无线手段 则需要考虑干扰以及发射机的发射角度等问题，而且这类系统每个终端都必须存 储所有语音内容，更改讲解内容非常麻烦，并且随着当前需要存贮的信息量的迅 猛增加存贮器容量限制的问题越来越突出。第二类存在比较严重的干扰和接收不 良等问题，并且不能保证每个游客都能从头开始收听且收听语音解说的质量相对 较低。以上两类都没有游客和景区管理处的交互功能。第三类实施成本高，适 用于不同景区、甚至不同地区的旅游景区导游，它不适应目前各个旅游景区独立 经营的现状，而且也只能实现大致的景区介绍。 随着电子技术的日新月异，电子导游作为一种游览信息的传播载体，带动着 旅游、参观业向电子化和智能化的发展方向 3 1 ，电子导游设备将更现代化、人性 化，它将具备：智能识别引导功能，具备电子地图功能和语音导引路线功能； 智能化播放功能，游客携带语音导游器进入景区，解说终端能自动根据游客的 位置和需要确定解说内容，游客根据自己的需要选择；交互功能，游客可以根 据自己的兴趣自主选择导游信息和导游路线。同时，网络化是电子导游发展的趋 势。可以预见将来的每一个景点、景区、搏物馆、展览馆都将装备上各种各样的 电子导游设备，使游客到该景点时既能真体验到现代化电子技术的方便、随意， 又能同时感觉到置身于该景点的情景之中。 3 浙江大学硕士论文 绪论 1 3 本文的工作和组织结构 1 3 1 本文的工作 本文是研制一种用于旅游景点、展览区的语音电子导游系统，它由布置在景 点负责发射的上位机和游客手持的便携式下位机组成，当游客进入上位机的广播 区域后，其携带的下位机能自动跟上位机完成信息交换，配置参数，自动接收并 播放该参观点的语音导游信息。 1 3 2 本文的组织结构 第一章，本章介绍了课题的研究背景和意义，以及介绍了国内外发展现状， 列出本论文的研究工作内容，给出论文章节的具体内容安排。 第二章，电子导游系统的原理和方案设计，进行电子导游接收系统的功能需 求分析，详细给出系统工作原理和结构设计。 第三章，s p e e x 语音编解码和无线传输方法，介绍了s p e e x 编解码技术特 点，根据i e e e 8 0 2 1 5 4 标准下的帧传输结构，讨论了导游信息播发的几种情况， 为了提高语音质量重点讨论了语音传输方法，设计了一种基于上位机重发补偿机 制通信方法。 第四章，系统硬件设计和实现，确定主要芯片的选型，针对电路中的硬件部 分设计进行重点说明，其中硬件模块分m c u 控制模块，c o d e c 模块，电源管理模 块，d s p 模块，无线收发模块这5 个主要部分进行重点说明。 第五章，电子导游系统的软件设计，从软件设计的要点入手，首先介绍电子 导游系统的软件系统构架，详细介绍了无线收发、语音播放和s p i 读写控制等部 分软件的实现和设计。 第六章，测试结果与总结，对导游系统进行实物测试，对数据进行分析并对 电子导游系统作出，总结和展望。 4 浙江大学硕：卜学位论文 电子导游系统的原理和方案设计 2 电子导游系统的原理和方案设计 2 1 电子导游系统概述 具有交互功能的电子导游系统一般由无线收发控制装置( 上位机) 和便携式 导游器( 下位机) 两部分组成，在一个景区内的每个景点安置一台上位机，用于 识别和记录到达此景点的游客，同时将储存在上位机内的导游词通过无线模块发 送，为在此景点参观的游客提供语音形式的景点介绍。每个游客携带有一个下位 机，它能与上位机进行通信，当游客到达某一景点时，它能自动识别该景点，接 收导游词数据，经过处理后进行播放。这样在一个景点的范围内就组成了以一个 上位机为协调器( c o o r d i n a t o r ) 的星形( s t a r ) 网络，见图1 所示。 图2 1 电子导游系统示意图 上位机主要负责发送语音数据，下位机的任务是应答和请求上位机的命令、 接收语音数据，以及音频解码与播放，同时为体现人性化，游客也可以通过键盘 自主控制电子导游接收机的语音播放、暂停和音量调整等。 在这样的系统中，上位机和下位机扮演着同样重要的角色，上位机应很强的 可靠性，在景区相对复杂的环境中，我们需要上位机通过发送控制参数配置指导 5 浙江大学硕二卜学位论文电子导游系统的原理和方案设计 游客手中的接收机来正确播放导说词，接收机则应该不管在任何环境下，都能够 播放语音清晰的导说词，保证游客在尽量短的时间内听到的质量较好的景点解 说，因此导游系统的这两个部分缺一不可，同样具有十分重要的地位。本文主要 是设计一套实用电子导游系统。 综上所述，本系统的主要开发内容分为三大部分： ( 1 ) 便携式导游器设计 所开发的便携式智能导游器能自动识别游客的所在位置，并自动接收导游词 进行解码播放，并能实现跟上位机的通信，满足游客的点播节目请求。具有稳健 性、易用性、低功耗、便携性的特点，还应具有语种选择、播放控制等功能。它 的设计主要是无线收发模块，语音音频c o d e c ，d s p 处理器等嵌入式系统的开 发。 ( 2 ) 无线收发控制装置设计 无线收发装置自动将进入本景点的子节点纳入该景点监控网络，同时发送本 景点的语音信息，同时能提供扩展内容以便下位机进行点播；监听子节点的点播 信息，将所点播的内容传输给子节点。无线收发控制装置是整个无线网络的一个 主控节点，协调与子节点的无线通信，调整传输点播内容的频道分配，实现有效 高速无线数据传输。无线收发装置的设计主要是基于单片机的嵌入式系统开发。 ( 3 ) 无线数据传输技术研究 系统中存在着不同的数据通信过程，首先上位机需要广播位置信息、语音数 据等；其次下位机随机点播导游信息，产生了接入控制过程的数据通信；第三， 主节点接收到点播请求之后，需要最快地响应并传输所点播的内容给子节点。这 可能是点对点通信，也可能是点对多点通信，同时所传输的数据包含了文字编码、 语音编码等。因此，本项目将针对这些传输特点和需求，采用主节点协调的高效 的子节点接入技术，研究一种广播、组播或者点对点通信的混合传输方式进行数 据通信，达到减少游客等待时间和降低丢包率，从而保证导游系统的服务质量。 6 浙江大学硕士学位论文电子导游系统的原理和方案设计 2 2 系统功能技术需求分析 本系统主要用于旅游景区、展览馆的智能语音解说，游客无需人工干预通过 耳机从随身携带的导游器中收听解说内容。因此，对系统有以下一些要求： ( 1 ) 无线传输技术要求复杂度低，传输覆盖一定范围，多频率可选，当上位 机发射范围重叠时，避免信号间的相互干扰； ( 2 ) 适合于无线通信的低码率语音音频编解码器，它应具有以下的特点： 语音数据是占主导地位的信息，音频则是处辅助地位的背景信息； 无线信道要求低比特率的语音和音频混合编解码技术，总比特率为 接收 解码 按钮尽量减少 语言选择按钮标志 3 3 2 通信协议约定 m c l 3 2 0 2m a c 传输帧格式： l b 帧开始分界1 b 帧长度指示数据负载( 最大 4 b 引导2 b 帧校验码 符器1 2 5 b ) ( 1 ) 撑0 公共频道通信协议 拌。频道号用于公共频道，为防止相邻区域间多个公共频道同时发送控制信息产生 相互干扰，群。频道在发送控制信息前应查询该频道是否有其他主节点或子节点正 在发送数据，如有则需等待，数据传送格式如下： 0i89 1 2 4 其中，0 b i t 为类型编号，广播域号即为主节点号( 0 - 2 5 5 ) ，数据部分为频道号( 拌1 # 1 5 ) 和该频道发送的语言种类等参数。下位机接收到后选择相应的频道接收数 据。 ( 2 ) 频道j | 1 # 1 5 通信协议 主节点发送语音数据负载格式： 023 1 2 4 叶节点负载格式： 设定： 2 6 ， 浙江大学硕士学位论文s p e e x 语音编解码和无线传输 子节点一次接收一个数据包，存贮于d s p 片内r a m 中，不外加数据缓冲区； 无线模块传输速率为2 5 0 k b p s ； 播放一个数据包时间为9 6 0 1 6 k = 6 0 m s ； 语音压缩后输出位率：1 6 k b p s ； s p i 数据传送速率：5 m b p s 一个频道每次无线传输1 0 6 b 的数据包所需时间为1 0 6 8 2 5 0 k = 3 3 9 2 m s 。m c u 从 f l a s h 中读出数据，写到无线模块移位寄存器所需时间为：2 9 8 8 5 m = 0 3 2 m s ， 考虑到其他因素等处理时间需要l m s ，因此播发一个包需要近5 m s 时间。 当信道上只有一个接收节点群时，比如只有中文接收节点群l 撑，则传输完一帧数 据后，将有5 4 m s 空闲。 6 0 m s6 0 m s 当信道上有多个相同语言性质的接收节点群时，利用上面的信道空闲时间来传输 数据，则信道上的传输情况如下图所示： 6 0 m s 6 0 m s 上位机的控制帧每隔一定的时间t i m eh o s t 广播一次控制信息。也就是说，在 这段时间内进入的中文接收者都被划分到同一个接收节点群。 信道全部占满的情况下，共可以的发送通道数：n = 6 0 5 = 1 2 把播发内容划分成1 2 等份( a l ) ： 每个通道对应其中的一份内容，每次发送其中一帧，发送顺序： a l k j i hgf ed c b ，假设全部的语音数据传输播放完毕为3 分钟( 3 0 0 0 个 语言包) ，所有数据全部发送一次所需时间为：3 0 0 0 * 5 m s = 1 5 s ，然后上位机发送 控制帧，接着按照b a l k j i hgf edc 顺序发送数据，以此循环。 浙江大学硕：l ：学位论文 s p e e x 语音编解码和无线传输 在信道全部占满的情况下，t i m eh o s t 时间设置为1 5 s ，当第1 3 批中文接收节 点群进入广播域时，发送给第一批接收节点群的数据已经发送完毕。可以将发送 给第一批接收节点的节目号给与第1 3 批接收节点。因此，对于每一个新进入广 播域中的接收节点群来说，最长等待时间为1 5 s 。 在无线网络传输中，环境距离因素加上无线信道的不稳定、抖动等情况都会 导致丢包，可以用静音或者前一帧代替丢失帧的方法来弥补缺失的包，考虑到电 子导游是非实时系统，对语音广播无同步要求，可以采用上位机重发补偿法，对 上述方法进行改进，为实现这一目的，下位机开辟缓冲区f 2 7 1 ，设定中的a 修改为： 子节点接收若干个包，存于d s p 数据缓冲区内，不外扩数据缓冲区。上位机发送 一段连续包后，接收下位机的重发请求，补偿丢包后发送下一段连续包。由于上 位机重发补偿占据了一定的信道，在信道全部占满的情况下，共可以的发送通道 数小于1 2 ，这里设定为1 0 。 假设下位机开辟的缓冲区大小为m * 9 6 b ，上位机每次发送连续m 个包。m 的 值视d s p 剩余空间，不能太小，否则使补偿失去意义。 m + 6 0 m s m * 6 0 m s 卜一 - 以3 分钟的语音数据为例，设定m 为1 5 0 ，即下位机开辟1 5 0 9 6 b 的缓冲区， 把语音数据均分成1 0 份，每一个新进入广播域中的接收节点群最长等待时间为 3 6 0 10 = 18 s 。 以上讨论的是单语种广播，当信道上有其他语种播发要求时，上位机增加无 线模块用其他频道广播，发送方法不变。同时当其他无线模块闲置时，可以利 用多无线模块多频道发送同一种语言，这样会大大减少游客等待时间。 2 8 浙江大学硕士学位论文s p e e x 语音编解码和无线传输 3 4 本章小结 本章简单介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 标准和s p e e x 语音编解码技术，重点讨论了对 数据广播中出现的各种情况，结合i e e e 8 0 2 1 5 4 传送的特点，针对导游系统工作 中遇到的具体问题提出了传输方法，该方法能减少等待时间，并实现了丢包补偿， 提高了信道利用率。第六章将给出测试结果。 浙江大学硕士学位论文 系统硬件设计和实现 4 系统硬件设计和实现 为了更好地实现系统的功能指标同时降低成本，硬件电路的设计将遵循以三 条原则 2 8 1 ： ( 1 ) 采用硬件设计与软件设计相结合的方法，优化硬件电路。尽管在采用软件 来实现硬件的功能时，响应时间会比使用硬件时长，而且还需要占用微控制器 ( m c u ) 时间。但是，用软件实现硬件的功能可以简化硬件结构，提高电路的可 靠性，另外还可以降低成本。因此，在本系统的设计过程中，在满足可行性的前 提下，尽可能地将硬件功能用软件来实现。 ( 2 ) 可靠性及抗干扰设计。根据可靠性设计理论，系统所用芯片数量越少，系 统的平均无故障时间越长。而且，所用芯片数量越少，地址和数据总线在电路板 上受干扰的可能性也就越小。因此，系统的设计思想是在满足功能的情况下尽可 能使用较少数量的芯片。同时，在设计中，需要考虑当系统不能正常工作的最坏 情况下，能够使系统尽快重新恢复运行。 ( 3 ) 灵活的功能扩展。功能扩展是否灵活是衡量一个系统优劣的重要指标。一 次设计往往不能完全考虑到系统的各个方面，系统需要不断完善以及进行功能升 级。进行功能扩展时，应该在原有设计的基础上，通过修改软件程序和少量硬件 甚至不修改硬件就能完成。对于本系统而言，就是要求在系统硬件不变的情况下， 能够通过修改软件程序，完成功能的改变和扩展。 根据第二章的方案，此次设计的电子导游系统分为上位机和下位机两部分， 考虑到上位机和下位机都用到无线收发模块，为了使用上的方便，无线部分设计 成一个独立模块。下面分别对无线收发模块、上位机以及下位机这三部分电路的 内部结构做进一步的说明。 一 3 0 浙江大学硕士学位论文系统硬件设计和实现 4 1 无线收发模块设计 无线收发模块由芯片m c l 3 2 0 2 及其外围电路组成，主要完成数据发送和收。 4 1 1m c l 3 2 0 2 芯片介绍 m c l 3 2 0 2 是f r e e s c a l e 公司生产的符合i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的带数据调制解调器的 射频收发芯片，它实现了完整的i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层协议，该芯片性能稳定，功 耗很低，采用经济高效的c m o s 设计，几乎不需要外部组件。该芯片和f r e e s c a l e 公司提供的控制器组合使用电路设计简单，能有效的缩短开发时间，降低开发成 本。 m c l 3 2 0 2 的主要特点【3 0 】如下： ( 1 ) 工作在2 4 g h z l s m 频段，共有1 6 个可选频道，支持在5 m h z 信道内的2 5 0 k b p s 数据率，采用o q p s k 调制方式和全频谱编码和译码，使用直序扩频技术； ( 2 ) 供电电压范围：2 0 3 4 v ，接收状态耗电3 7 m a ，发射状态3 0 m a ； ( 3 ) 可编程的输出功率，通常为0 d b ，超低功率模式； ( 4 ) 具有一个优化的数字核心，有助于降低m c u 处理功率，缩短执行周期； ( 5 ) 内部集成四个定时比较器，七个g p i o 端口，标准的四线s p i 接1 2 ( 以4 m h z 或更高频率运行) ，使其可以跟性能较低、价格低廉的m c u 配合使用以降低成本， 通过s p i 配置寄存器的值来控制m c l 3 2 0 2 工作，使m c u 编程更为容易； ( 6 ) 支持两种数据模式：包模式和流模式，收发可以复用一根天线，减少了外 围电路； ( 7 ) 接收灵敏度可调。9 2 d b m ( 典型) 时，数据包错误率1 o ； ( 8 ) 可编程的时钟，供基带m c u 使用； ( 9 ) 具有自动数据校验功能，自动丢弃错误数据； ( 1 0 ) q f n 3 2 封装，体积小，工作温度范围：4 0 到8 5 摄氏度。 芯片的内部主要由数字调制解调、片内频率合成器、模拟接收发射、m c u 接口等几部分组成，此外还集成定时器、中断判决器电源管理模块以及用于接收、 发射的存储器电路。 3 l 浙江大学硕士学位论文系统硬件设计和实现 从天线接收进来的射频信号经过两次变频后变成两路正交信号，片内集成的c c a ( 空闲信道评估) 模块根据收到的基带信号的能量进行空闲信道检测，检测在前 导信号到来6 4 1 t s 后开始进行，检测值存储在r a m 中。c c a 和前端l n a ( 低噪 声放大器) 都受到a g c ( 自动增益控制) 的控制。数字接收端d c d ( 通过差分 码片检测) 后经过相关器对直序扩频( d s s s ) 进行解扩，m c l 3 2 0 2 内部硬件逻 辑计算出接收到数据的c r c 校验值，并与附加在接收数据尾部的c r c 值比较。 经过符号同步检测和包处理后最终得到接收到的最终数据。如果m c l 3 2 0 2 接收 到一个完整的数据帧，则它将向m c u 发出一个中断请求，m c u 通过s p i 接1 ：3 取 走数据。 在包传输模式下，数据是被看作一个完整的数据包处理的。要发送的数据首 先被装载到主控m c u 的r a m 中，由m c u 通过s p i 接1 ：3 传送到m c l 3 2 0 2 的发 送缓冲器中，帧头和帧检测序列由m c l 3 2 0 2 产生，根据i e e e 8 0 2 1 5 4 的标准， 所要发送的数据流的每4 个b i t 被3 2 码片的扩频序列扩频，扩频以后的信号送到 相关开关调制器上以o q p s k 方式通过直接上变频调制到载波后通过天线发射出 去当数据发送完毕，m c l 3 2 0 2 会发出一个中断来通知m c u 。 4 1 2 无线模块电路设计 m c l 3 2 0 2 芯片及其外围电路如图4 1 所示。芯片的供电为电源产生3 3 v 的 vr f 。该电源由主控模块通过接口提供给无线模块。芯片内部有专门的稳压电路， vr f 经过稳压后，输出v d d a ，给芯片的关键部分，提供纯净的电源，以保证 射频部分的稳定工作。m c l 3 2 0 2 指定外接一个频率1 6 m h z 的品振，作为整个系 统的主时钟，该晶振的精度和稳定度要求至少达n + 4 0 p p m ( 百万分之四十) ，要 求非常高，因为频率的偏移会影响收发机的性能。1 6 m h z 的时钟信号经过内部可 变分频器后，由c l k o 引脚输出到m c u 的e x t a l 引脚上，为m c u 提供时钟 信号，它的默认值是3 2 7 8 6 k h z ( 1 6 m h z 4 8 8 ) 。m c l 3 2 0 2 和m c u 之间的主要接 口包括：4 线的s p i 接1 ：3 ( m o s i 、m i s o 、s p s c k 、c e ) 、复位信号r s t 、发送 接收使能信号r x t x e n 、唤醒信号a t t e n 、中断信号i r q 。 3 2 浙江大学硕七学位论文系统硬件设计和实现 6 图4 1m c l 3 2 0 2 电路图 m c l 3 2 0 2 的射频部分分为两个端口，p a om 、p a op 和r f i nm 、r f i np ， 分别是发射机输出端口和接收机输入端1 3 。由于m c l 3 2 0 2 支持单收单发的特点， 为了简化电路这里只选复用r f i n n 、r f i n p 作为发送和接收端口。 图4 2m c l 3 2 0 2 射频部分电路 为了减小整个系统的尺寸，使用贴片天线a t 9 5 2 0 作为发射和接收天线。这 种天线专门为2 4 g h z 波段的无线产品设计。它的特点是：体积很小，只有 9 5 2 0 m m ，厚度1 2 m m ；标准输入阻抗5 0 欧姆；高带宽，从资料提供的仿真图 4 3 可以看到，反射系数1 0 d b 频点为2 2 0 0 g h z 和2 7 7 0 g h z ，带宽5 7 0 m h z 。 3 3 浙江大学硕士学位论文系统硬件设计和实现 等 嚣 镌 簿 iu1 s 11 4le嚣zuz z z 4z 略z 石矗”j z0 矗净诒j 墨4 u 图4 3a t 9 2 5 0 反射系数仿真刚3 1 】 由于m c l 3 2 0 2 是双端平衡输入输出的，且阻抗为1 0 0 2 0 0 欧姆，而天线是单 端的，阻抗为标准的5 0 欧姆，因此需要一个平衡非平衡转换器，也就是天线巴 伦( b a l u n ) ，来实现阻抗匹配和平衡到非平衡转换的功能。天线巴伦选用的是 a c x 公司的b l 2 0 1 2 它的工作频率为2 4 0 0 2 5 0 0 m h z ，平衡端阻抗为2 0 0 欧姆， 非平衡端阻抗为5 0 欧姆，恰能符合设计要求。天线与巴伦之间，加入1 0 p f 的电 容和3 9 n i l 的电感作为匹配电路。电容电感的数值可在测试时调整，已能达到最 好的效果为准。 4 2 上位机电路设计 上位机主控模块由芯片m c 9 s 0 8 a c 3 2 及其外围电路组成，外围电路包括电 源电路、调试头b d m 电路、f l a s h 电路。主要完成从存储器读取数据，交给无线 模块发送，同时接收下位机的发送的数据。 4 2 1m c u 电路 m c 9 s 0 8 a c 3 2 是f r e e s c a l e 设计的一款低功耗基于h c s 0 8 1 3 2 】内核的8 位单片 机，配合m c l 3 2 0 2 使用非常方便。内部具有3 2 k b 的f l a s h 和2 k b 的r a m 存储 器，中断以及接口丰富，价格低。使用c 语言编程的c o d e w a r r i o r 开发环境，易 于掌握。该芯片有以下特点： ( 1 ) 4 0 m h z s 0 8 内核，具有2 0 m h z 总线频率； ( 2 )支持内部时钟( i c g ) ，外部晶振或者外部时钟信号输入； 3 4 浙江大学硕十学位论文系统硬件设计和实现 ( 3 )具有b d m ( b a c k g r o u n dd e b u gm o d e ) 模式，支持在线调试； ( 4 )1 个s p i 、1 个s c i 和一个带广播模式的i ：c 总线接口； ( 5 ) 低功耗模式：1 种等待( w a i t ) 模式和3 种停止( s t o p ) 模式； ( 6 )1 6 位定时器：1 个2 信道、2 个6 信道； ( 7 )1 6 信道1 0 位a d c ； ( 8 )1 个外部中断，4 个引脚键盘中断； ( 9 ) 3 2 l q f p 封装，方便焊接。 根据系统功能要求，m c 9 s 0 0 8 a c 3 2 这款芯片能满足上位机设计要求。，电路 结构上比较简单。 下面介绍一下m c u 的引脚分配情况。具体如图4 4 所示。 m c 9 s 0 8 a c 3 2 p t e 3 p t e 2 p t e l p t e o p t b 3 p t b 2 p t b l p t b 0 p t d 2 p t d 3 r e s e t p t e 4 p t g 6 v s s p t c 0 p t c l p t g l p t g 0 p t e ，m l s o p t e 6 n “i s i p t e 7 i r q p t f 4 p t f 5 2 2 9m c uc l k 牛， 个n r 2 v_bbl o _ _ _ 一o j 粤坐丛) _ 涮 1 lm o s i 一 1 2s p i c l k l 3 r x t x e n 4r s t 图4 4m c u 引脚分配图 3 5 浙江大学硕士学位论文系统硬件设计和实现 p t b l 、p t b 2 为s p i 接口z i g b e e 的片选信号( 此次使用两个发送模块) ； p t d 2 、p t d 3 为键盘中断输入，与z i g b e e 中断输出连接； b k g d 与外部调试头连接脚； p t g 6 外部时钟输入； p c t 0 、p c t l 为m c u 与f l a s h 的s p i 通信的片选信号( 两块f l a s h ) ； p t g 0 为z i g b e e 唤醒信号输出脚； p t e 5 、p t e 6 、p t e 7 分别为s p i 接口的m i s o 、m o s i 、s p i c l k ，与m c u 进行 s p i 通信的共有四个原件，两个z i g b e e 和两个f l a s h ； p t e 4 为z i g b e e 的收发接收使能信号输出脚； p t 5 为z i g b e e 的复位信号输出脚； m c 9 s 0 8 a c 3 2 的时钟使用z i g b e e 输入，通过内部i c g 产生1 6 m h z 时钟，b u s 频 率为8 m h z 。 f l a s h 选用的是s s t 设计的s s t 2 5 v f 0 2 0 ，它是一款高速可靠低功耗的f l a s h 芯片。供电电压2 7 3 6 v ，采用s p i 数据通信方式，最高达2 0 m h z 。读写状态 时电流7 m a ( 典型) ，空闲时为8 心。地址总线为2 4 位，数据单位1 b y t e 。支持 a a i ( 自动地址增量编程，a u t oa d d r e s si n c r e m e n tp r o g r a m m i n g ) ，读写擦除等操 作指令通过s p i 写入，编程实现非常方便。图4 5 表示一次连续读数据的时序图。 c e _ 一 一 。一一一一一一一一一一 s c k 9 s o m b b 图4 5f l a s h 读数据时序图【3 3 】 4 2 2m c u 电源电路 已经选定的z i g b e e 和m c u 芯片都需要2 0 3 4 的工作电压，整个系统功耗 很低，电源芯片选择一块输出电压为3 3 v ，最大输出电流为8 0 0 m a 的低压差稳 压芯片l m l l l 7 其压差在1 2 v 输出，负载电流为8 0 0 m a 时为1 2 v 。l m l l l 7 提 3 6 浙江大学硕士学位论文系统硬件设计和实现 供电流限制和热保护，它有可调电压版本，另外还有5 个固定电压输出( 1 8 v 、 2 5 v 、2 8 5 v 、3 3 v 和5 v ) 的型号。 电源模块原理图如图4 6 所示。在l m l l l 7 的输入和输出端各加上一个滤波 电容。这里需要注意的是，输出端的1 0 1 t f 电容必须选用钽电容来改善瞬态响应 和稳定性。最终输出的vb b 和vr f 分别作为数字部分电源和射频( 模拟) 部 分电源。 d 一i | 卜上3 。- _ 。h - _ 。 - 。h ，q ：_ 。竺1 一 一 o 半c o t i 1 r 0 l 1 0 u 【j l k 1 一 【) 0 、 厂 i 、 图4 6 上位机电源模块原理图 4 2 3b d m 调试电路 背景调试模式( b a c k g r o u n dd e b u gm o d e 简称b d m ) 是f r e e s c a l e 公司推出 的一种的调试模式，为开发人员提供了底层的调试手段。它是一种基于硬件的调 试手段，为设计人员提供了一种更近于c p u 核心的调试方式。通过