毕设：基于单片机的无线语音对讲系统设计.doc

兰州理工大学本科毕业设计（2011届）题 目基于单片机的无线语音对讲系统设计学 院电信学院专 业电子信息科学与技术班 级电子二班学 号学生姓名指导教师缑新科完成日期诚 信 承 诺我谨在此承诺：本人所写的毕业论文基于CC2500的语音对讲系统设计均系本人独立完成，没有抄袭行为，凡涉及其他作者的观点和材料，均作了注释，若有不实，后果由本人承担。 承诺人（签名）： 年 月 日大学本科毕业设计摘 要 本毕业设计主要设计自主研发的基于CC2500的语音对讲系统，实现短距离的语音对讲。在现代通信中，对讲机是一种近距离的、简单的无线传输通信工具，由于它不需要中转站和地面交换机站支持，就可以进行有效的移动通信，因此深受人们欢迎。目前，它广泛应用于生产、保安、野外工程等领域的小范围移动通信工程中。考虑到研究的针对性，基于CC2500的无线对讲系统的原理是通过STC89C52单片机控制，读取存于FLASH里的PCM编码信号，进行处理后通过CC2500模块发送，接收机通过CC2500模块接收到信号后通过STC89C52模拟PWM波输出。其音频放大电路是通过LM358跟4871放大送到3欧喇叭。本文将具体介绍对讲系统的硬件设计及软件编程设计过程。关键词：CC2500模块；单片机；语音对讲ABSTRACT The graduation design, the main design based on the independent research and development CC2500 speech talkback system, realize short speech the intercom.In the modern communication, intercom is a close, simple wireless transmission communication tools, because it does not require station and ground switch station, can effectively support the mobile communications,so it Welcome by people.At present, it is widely used in production, security, field engineering and other areas of small range of mobile communication engineering. Considering the pertinence, based on research CC2500 wireless talkback system principle is through STC89C52 MCU control, read stored in FLASH pulse code modulation (PCM).the signal processing CC2500 module after sending by CC2500 module,receiver received by STC89C52 simulation PWM signal after through wavelet output.The audio amplification circuit is amplified by LM358 and 4871 to 3 speakers.Key words：CC2500 module；MCU；Voice Intercom目 录1 引言12 概述22.1无线对讲系统概况22.2射频芯片CC2500简介32.3单片机概述52.4研究的意义62.5本设计方案思路63 语音对讲系统硬件电路设计73.1语音对讲系统总体设计框架73.2主控制器部分设计73.3 FLASH选择113.4 显示部分设计123.5信号发射/接收模块设计123.6音频输出模块设计143.7按键电路设计163.8 电源部分设计163.9本章小结174语音对讲系统软件设计184.1软件开发调试环境184.2软件总体设计框图184.3 各模块程序设计194.4本章小结265 制作与调试275.1原理图绘制及PCB制板275.2 硬件电路的布线与焊接275.3 调试286 总结30致谢31参考文献32附录331 引言专业对讲机通信作为专网移动通信的重要组成部分，其不受网络限制，在网络未覆盖到的地方，可以让使用者轻松沟通，简单灵活的组网方式，更少的投入、更优的性价比在许多特殊的行业与应用领域发挥着其它通信系统无法替代的作用。传统的模拟对讲机设备在追求生产效率以及经济效益的今天，对讲机提供一对一，一对多的通话方式，一按就说，操作简单，令沟通更自由，尤其是紧急调度和集体协作工作的情况下，如在公共安全、应急调度、物资流通、货运、交通、建筑施工、物业管理、餐饮服务等各个领域都扮演着重要的角色。但是传统的模拟对讲机设备频谱利用率低，易受干扰，保密性差，业务单一等一些不可避免的缺陷已经逐渐地体现出来。因此，推动传统的模拟通信设备向数字化发展将是解决这些缺陷的非常有效的办法。目前，对讲机的数字化已受到全球高度重视。数字对讲机设备的技术研究和标准化工作在欧美等发达国家已开始推进。最近几年随着我国国民经济的快速发展，政府部门、警察、公共安全、公用设施、医疗、消防及一些特殊部门等对专网移动通信有了新的要求，促使我国许多企业投入大量人力物力研发自己的移动通信标准。这其中最具代表性的就是华为的GT800系统和中兴的GoTa系统，不过十分遗憾的是这两个系统并未在国内得到很好的推广。与之形成鲜明对比的是国外的TETRA、iDEN系统却在国内得到了广泛的应用。另外国家虽然早在1995年就发布了无中心多信道选址移动通信系统的国家标准，却并没又得到很好的发展。我国信息产业部无线电管理局在2007年9月13同发布了数字对讲机系统设备无线射频技术指标要求(试行)和2009年12月12日发布的150MHz、400MHz频段数字对讲机设备无线技术指标的通知，为我国数字对讲机的发展提供了频率保证和射频技术基本指标要求，也使得国内通信制造商的研发有章可循，从而促进了国内数字对讲机设备的研发。随着科技的发展人们对对讲机不断的提高要求，本文所研究的通过CC2500模块构建语音对讲系统低功耗低成本有一定的实际意义。2 概述2.1无线对讲系统概况 公众无线移动通信和专网移动无线通信同属于移动通信的范畴，是移动通信的两大应用领域。公众移动通信发展迅速，已进入市场炒得火热的3G，其特点是横向、跨行业、面向全社会。专网移动通信则以某些特定领域的应用或垂直的行业应用为主，其所具有的强大的调度指挥功能、灵活多变的组网功能、独有的用户优先级、一键呼叫业务、高保密性、高可靠性、为各行业量身定做的行业应用功能、以及只需一次投入不用定期交纳服务费等都是公众移动通信系统所无法替代的。专网无线通信系统主要包括三大类系统：集群通信系统、无中心通信系统和对讲机。通过下面的介绍我们会发现对无线对讲系统的研究和发展是有一定的现实意义的。2.1.1集群移动通信系统集群移动通信系统又叫专用业务调度系统，是专用无线电调度系统的一种高级发展阶段。目前，集群移动通信基本已经从模拟时过度到了数字时代。可以说是专网移动通信三大系统中最早实现数字化的系统。数字集群通信系统相对于模拟集群通信系统，主要有高频谱利用率、高保密性、更好的话音质量、支持多种业务、网络管理和控制更加有效和灵活等特点。我国数字集群移动通信系统体制包括来自国外的TETRA、iDEN系统及国内的GoTa、GT800系统，由于TETRA系统的开放性较好，技术也较为成熟，参与厂商也比较多，所以在国内发展较好，而其它3种系统并未得到较好的应用。集群系统虽然功能强大，但总的来说建网费用还是较高，这也是对讲机和无中心移动通信系统得以发展的原因之一。2.1.2对讲机 专业对讲机通信作为专网移动通信的重要组成部分，以其更简单灵活的组网方式、更少的投入、更优的性价比在许多特殊的行业与应用领域发挥着其它通信系统无法替代的作用。传统的模拟对讲机设备在追求生产效率以及经济效益的今天，在公共安全、应急调度、物资流通、货运、交通、建筑施工、物业管理、餐饮服务等各个领域都扮演着重要的角色。但是传统的模拟对讲机设备频谱利用率低，易受干扰，保密性差，业务单一等一些不可避免的缺陷已经逐渐地体现出来。因此，推动传统的模拟通信设备向数字化发展将是解决这些缺陷的非常有效的办法。目前，对讲机的数字化已受到全球高度重视。数字对讲机设备的技术研究和标准化工作在欧美等发达国家已开始推进。我国信息产业部无线电管理局在2007年9月13同发布了数字对讲机系统设备无线射频技术指标要求(试行)和2009年12月12日发布的150MHz、400MHz频段数字对讲机设备无线技术指标的通知，为我国数字对讲机的发展提供了频率保证和射频技术基本指标要求，也使得国内通信制造商的研发有章可循，从而促进了国内数字对讲机设备的研发。2.1.3无中心移动通信系统 无中心移动通信系统是指没有作转发用基站的移动通信系统，900MHz无中心选址系统在我国经历了10多年的使用，于1995年发布了两个国家标准：无中心多信道选址移动通信系统体制和无中心多信道移动通信设备总规范。无中心移动通信系统有其自身的优点，比如费用低廉，多信道公用，无需申请指配频点等。目前，无中心移动通信系统和对讲机一样是只能进行通话的模拟系统，也正在经历模拟转数字的过程，就目前而言，国内还没有成熟的数字无中心通信系统投入市场。中国是移动通信最大的市场，这是由我国是世界第一人口大国和我国经济的迅速发展决定的。但是相对于发展同趋成熟的公网移动通信，专网移动通信可以说是刚刚起步。由上面的介绍我们可以看出，专网移动通信的三大类系统在我国的发展都不是很理想。可是随着我国经济的发展，公共安全对专网移动通信的需求却日渐增长。近些年南方雪灾、汶川地震、玉树地震的发生让我们深刻体会到了对讲机在应对突发事件的巨大作用。可以预见，在我国经济迅猛发展的今天，数字对讲机必将在囤计民生和公共安全领域发挥越来越重要的作用，有着巨大的发展前景。现在中国的专网移动通信正在经历模转数的过程，对讲机、无中心系统的数字化是移动通信领域罩最后一块由模拟转数字的市场。新型的专网数字移动通信系统也随着对讲机的数字化应运而生，未来将成为专网系统的主力军。为避免再出现公网数字化和集群数字化过程中核心技术受制于国外的情形，迫切需要我国的研发人员能真正掌握该领域的核心技术，所以对数字对讲机的研究意义重大。 2.2射频芯片CC2500简介 射频模块采用Chipcon公司生产的CC2500芯片，它是一款超低功耗、低成本的无线收发模块，其载频范围在2。400GHz2。483GHz的ISM频段由一个完全集成的频率调制器一个解调器的接收器一个功率放大器一个晶体振荡器和一个调节其组成。工作特点是自动产生前导码和CRC可以很容易通过SPI接口进行编程配置，电流消耗低。空闲信道评估CCA（Clear Channel Assessment）功能是指当CC2500处于RX状态时，可以检测自身所处信道的电磁场的强弱以判断该信道是否空闲。本设计中利用该功能来避免多个标签同时响应阅读器查询时发生的碰撞。当一个标签收到阅读器的查询时，让它先进行CCA检测，若检测到该信道忙，表明已经有其他标签响应了，自身不再响应，等待下一次查询命令到来，否则正常响应。 图 2-1 CC2500简化框图 CC2500简化框图如图2-1所示，RF收发器集成了一个数据传输率可达500kbps 的高度可配置的调制解调器。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。 CC2500 为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。 CC2500 的主要操作参数和 64 位传输/接收FIFO （先进先出堆栈） 可通过 SPI 接口控制。在一个典型系统里，CC2550 和一个微控制器及若干被动元件一起使用。 CC2500 基于 0.18 微米 CMOS 晶体的Chipcon的 SmartRF 04 系列。 CC2500主要特性 ：体积小（QLP 44mm封装，20 脚）；真正的单片 2.4GHz RF（射频）收发器高灵敏度（10kbps 下-98dBm，1数据包误差率）；可编程控制的数据传输率，可达500kbps ；较低的电流消耗（RX中 15.6mA）；可编程控制的输出功率，可达+1dBm ；优秀的接收器选择性和模块化性能；极少的外部元件：芯片内频率合成器，不需要外部滤波器或 RF转换；可编程控制的基带调制解调器；理想的多路操作特性；可控的数据包处理硬件；快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统；可选的带交错的前向误差校正；单独的 64 字节 RX和 TX数据 FIFO；高效的 SPI 接口：所有的寄存器能用一个“突发”转换器控制数字 RSSI 输出；与遵照 EN 300328，EN 300440 class 2 (欧洲)，CFR47 Part 15 (美国), 和ARIB STD-T66(日本)标准的系统相配；自动低功率RX拉电路的电磁波激活功能；许多强大的数字特征，使得使用廉价的微控制器就能得到高性能的 RF系统；集成模拟温度传感器；自由引导的“绿色”数据包；对数据包导向系统的灵活支持：对同步词汇插入的芯片侦测，地址检查，灵活的数据包长度及自动 CRC 处理；可编程信道滤波带宽；OOK和灵活的 ASK整型支持；2-FSK 和 MSK支持；自动频率补偿可用来调整频率合成器到接收中间频率；对数据的可选自动白化处理；对现存通信协议的向后兼容的异步透明接收/传输模式的支持；可编程的载波感应指示器 ；可编程前导质量指示器及在随机噪声下改进的针对同步词汇侦测的保护；支持传输前自动清理信道访问（CCA），即载波侦听系统；支持每个数据包连接质量指示。 2.3单片机概述2 单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。STC单片机：STC公司的单片机主要是基于8051内核，是新一代增强型单片机，指令代码完全兼容传统8051，速度快812倍，带ADC，4路PWM，双串口，有全球唯一ID号，加密性好，抗干扰强。PIC单片机：是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好，大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片。EMC单片机：是台湾义隆公司的产品，有很大一部分与PIC 8位单片机兼容，且相兼容产品的资源相对比PIC的多，价格便宜，有很多系列可选，但抗干扰较差。 ATMEL单片机(51单片机)：ATMEL公司的8位单片机有AT89、AT90两个系列，AT89系列是8位Flash单片机，与8051系列单片机相兼容，静态时钟模式；AT90系列单片机是增强RISC结构、全静态工作方式、内载在线可编程Flash的单片机，也叫AVR单片机。 PHLIPIS 51PLC系列单片机(51单片机)：PHILIPS公司的单片机是基于80C51内核的单片机，嵌入了掉电检测、模拟以及片内RC振荡器等功能，这使51LPC在高集成度、低成本、低功耗的应用设计中可以满足多方面的性能要求。 HOLTEK单片机：台湾盛扬半导体的单片机，价格便宜，种类较多，但抗干扰较差，适用于消费类产品。 TI公司单片机(51单片机)：德州仪器提供了TMS370和MSP430两大系列通用单片机。TMS370系列单片机是8位CMOS单片机，具有多种存储模式、多种外围接口模式，适用于复杂的实时控制场合；MSP430系列单片机是一种超低功耗、功能集成度较高的16位低功耗单片机，特别适用于要求功耗低的场合松翰单片机（SONIX）：是台湾松翰公司的单片，大多为8位机，有一部分与PIC 8位单片机兼容，价格便宜，系统时钟分频可选项较多，有PMWAD内振内部杂讯滤波。缺点RAM空间过小，抗干扰较好。2.4研究的意义 由于语音对讲系统越来越广泛的就用于公安、民航、运输、铁路、水利、服务、建筑等行业。用于团体成员间的联络和指挥调度，以提高沟通效率和提高处理实发事件的快速反应能力，随着对讲机进入民用市场，人们外出购物、旅游也开始越多的使用对讲机。短距离语音对讲系统的种类也越来越多种，本着物尽其用的原则，在一些场合对于短距离语音通信要求不是很高的情况下，没有必要去买价格比较贵的对讲机。所以本课题可以很好的解决短距离语音通信，基于CC2500的语音对讲系统成本低，功耗低可以节省资源浪费。2.5本设计方案思路 基于CC2500的功能比较强大，其各方面的优点可以用来传输比较大的PCM编码，用单片机控制其发送音频信号能达到8KHZ的电话音质，故而想到用其做一个简易的语音对讲系统，基于这里研究的主要为CC2500，所以语音对讲系统的语音输入PCM编码调制省略为用单片机读取存于FLASH里的PCM编码来替代。3 语音对讲系统硬件电路设计3.1语音对讲系统总体设计框架考虑到研究的针对性，本设计主要针对CC2500模块的研究。对讲系统省略去语音输入的PCM调制，基于CC2500的语音对讲系统的体框图如下图（图2-4）。图2-4 系统框图 单片机控制读取存于4M-bit Flash中的PCM编码，送CC2500模块发送，从机通过CC2500模块接收数据，接收到的数剧通过单片机模拟产生PWM波输出到音频输出模块。音频输出模块用RC滤波电路滤波再通过LM385跟4871放大送喇叭发生。切换键用来切换接收还是发送数据，由数码管显示系统工作在何种模式（接收、发送）。3.2主控制器部分设计2 利用单片机的具有的微型计算机及存储功能进行设计发送和接收模块的。本系统使用了stc89c51。 STC89C51系列单片机是从引脚到内核都完全兼容标准8051的单片机，有PDIP（塑料双列直插式封装，芯片封装的形式之一）-40、PLCC（特殊引脚芯片封装，它是贴片封装的一种）-44、PQFP（塑料方块平面封装，一种芯片封装形式）-44三种封装形式。STC推出的系列51单片机芯片是全面兼容其它51单片机的。STC89C51/芯片分别含有4K字节FLASH ROM供用户编程使用。STC89C系列单片机是高速/低功耗的新一代8051单片机，最高工作频率可分别达到25MHz50MHz，具体在芯片上的型号名称后以“-XX”标注。STC89C系列单片机有较宽的工作电压，5V型号的可工作于3.4V6.0V，3.3V型号的可工作于2.0V4.0V(ISP/IAP操作时对电压要求会稍严)。正常工作模式下的典型耗电为4mA7mA，空闲模式为2mA，掉电模式(可由外部中断唤醒)下则小于0.1A。此外，STC89C系列单片机在完全兼容8052芯片(在标准8051基础上增加了T2定时器和128字节内部RAM)的基础上，新增了许多实用功能。本次选用本次选用了PDIP-40的51单片机，这款单片机一共有40pin引脚。RST（复位输入端），当振荡器运行时，在该引脚上出项两个机器周期的高电平将是单片机复位。ALE/PROG当访问外部存储器时，ALE（地址锁存允许）的输出用于锁存地址的低位字节。即使不访问外部存储器，ALE端仍以不变的频率（此频率为振荡器的频率的1/6）周期性地出现正脉冲信号。因此，它可用作对外输出地时钟，或用于定时目的。然而，要注意的是：每当访问外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。在对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（/PROG）。如必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH 单元的D0 位置位，可禁止ALE 操作。该位置位后，只一条M0VX 和M0VC 指令ALE 才会被激活。此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE 无效。PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S51 由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲。当访问外部数据存储器，没 两次有效的PSEN信号。EA VPP：外部访问允许。欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器中的指令。F1ash存储器编程时，该引脚加上+12V的编程电压Vpp。XTALl：振荡器反相放大器及内部时钟发生器的输入端。XTAL2：振荡器反相放大器的输出端。P0 ：P0口是一组8位漏极开路型双向I0口，也即地址数据总线复用口。作为输出口用时，每位能驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“l”可作为高阻抗输入端用。在访问外部数据存储器或程序存储器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用，在访问期间激活内部上拉电阻。在F1ash编程时，P0口接收指令字节，而在程序校验时，输出指令字节，校验时，要求外接上拉电阻。P1 ：Pl 是一个带内部上拉电阻的8位双向IO口，Pl的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“l”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口。作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程和程序校验期间，Pl接收低8位地址。P2 ：P2 是一个带有内部上拉电阻的8 位双向IO 口，P2 的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对端口写“1”，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL）。Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其它控制信号。P3 ：P3 口是一组带有内部上拉电阻的8 位双向I0 口。P3 口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4 个TTL逻辑门电路。对P3口写入“l”时，它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流（IIL）。图3-1 单片机DIP40封装基于CC2500的性能强大，应用方便，可以选择单位机来实现对其的主要控制操作。由于本人在校期间比较习惯应用89C51系列中的STC89C52RC，所以本设计的主控器选择STC89C52RC。STC单片机的理由：降低成本，提升性能，原有程序直接使用,硬件无需改动。选用PLCC, PQFP小型封装, 3.3V工作电压单片机，可使产品更小，更轻，功耗更低。这里我们选择用DIP-40的封装（图3-1）。STC89C52RC的最小系统如图3-2所示。最小系统由单片机、复位电路、晶振电路构成。STC89C52RD其RST引脚在接收到2个机器周期的高电平信号后复位，复位电路可在上电是复位单片机，通过SW1复位按钮在单片机运行过程当中可以随时复位。晶振电路MCS-51单片机内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器，管脚XTAL1和XTAL2分别是该反相放大器的输入端和输出端，在芯片的外部通过这两个引脚跨接晶振和微调电容，形成反馈电路，就构成了一个稳定的自激震荡器。这里晶振选择12MHZ，两个微调电容取30P。图3-2 单片机最小系统 单片机复位电路的作用：单片机是属于数字电路，数字电路就只有“0”低电平和“1”高电平两个状态。这两状态是已知状态，比如有的0代表是0.0-0.01v ，1代表4.99-5.0v 。但在电路上电时候或电压波动不稳定的时候，当给单片机上电那一瞬间，电压有在几微秒内（有的是几毫秒内）不是直接跳变到5V的而是一个直线上升的阶段，这时候，单片机不能正常工作，需要复位电路给它延时以等到电压稳定。这叫上电复位。晶振的作用：片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全程叫晶体振荡器，他结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。在通常工作条件下，普通的晶振频率绝对精度可达百万分之五十。高级的精度更高。有些晶振还可以由外加电压在一定范围内调整频率，称为压控振荡器（VCO）。晶振用一种能把电能和机械能相互转化的晶体在共振的状态下工作，以提供稳定，精确的单频振荡。同时为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。3.3 FLASH选择本设计用FLASH储存PCM编码来替代对讲系统的语音输入PCM调制部分。PCM编码来自WAVE文件。标准的WAV格式的声音文件含有声音的采样数据和文件头。文件头描述了后面声音数据的一些信息，如通道数、采样频率、采样位数以及数据的长度等。通道数，是指声音的采样路数，如单声道、立体声等。采样频率，是指每秒钟对声音的采样次数，采样频率越高，还原出来的声音越接近原始声音，如表1所列。根据采样定理,要想精确还原出某种频率的波形，其最小采样率应至少为该波形频率的2倍。表1 采样频率与音质关系1音质频率范围/Hz采样频/kHz电话音质200Hz3400Hz8短波段收音机音质50Hz7kHz11025FM收音机音质20Hz15kHz2205CD音质10Hz20kHz441提取声音数据时，要注意采样频率、采样位数、存储容量与存储时间的关系，如表2所列。表2 采样频率/位数、存储容量与存储时间的关系1采样频率/kHz668811.02511.02522.05022.05044.10044.100采样位数/位816816816816816存储容量KB325.462.734.102.052.971.491.490.740.740.376410.925.468.194.105.942.972.971.491.490.7412821.8410.9216.388.1911.895.945.942.972.971.4925643.6921.8432.77163823.78118911.895.945.942.9751287.3843.6965.5432.7747.5523.7823.7811.8911.895.94注：存储时间单位：s通常，8kHz的采样频率和8位的采样位数可获得清晰的语音以及较好的音乐声，并且占有较少的存储空间。采样位数，指的是每次采样的采样精度。采样位数越高，还原出来的声音的量化噪声越小，波形也越接近原波形。 由于WAVE文件比较大，所以选择用华邦的w25x40，其容量为4M-BIT可以储存。对讲系统对音质要求不是很高所以使用8KHZ采样16位的电话音质，w25x40可以储存32.77秒的声音。3.4 显示部分设计显示部分只需显示语音对讲系统的工作模式，接收或发送。选择用共阳数码管来做显示模块，用数字0表示OUT语音对讲系统处于发送工作模式下，用1表示IN表示语音对讲系统处于接收工作模式下。数码管管脚图如图3-3。图3-3 共阳数码管脚图因为考虑到PCB版的布线问题，所以数码管与单片机IO口的连接并非标准的连。本系统数码管与单片机IO口的连接图如图3-4。a-P0.2、b-P0.3、c-P0.6、d-P0.5、e-P0.4、f-P0.1、g-P0.0、DP-P0.7，这样子给PCB单面布线的时候带来了不小的方便使得PCB布线更加简洁。图3-4 单片机数码管连接图3.5信号发射/接收模块设计10 RF2500无线模块，其工作于2.4GHz的ISM/SRD频段免许可证使用，采用TI公司的CC2500多通道RF收发器。CC2500是用于超低功耗无线应用的业界系统成本最低的多通道无线产品，具有强大的数字处理特性，因此仅使用一颗低成本MCU便可构建出高性能的射频系统，包括很多非常有用的数字功能，如整个数据包处理、FIFO缓冲器、空闲通道评估和无线唤醒等，可广泛应用于消费类电子产品（如无线键盘、鼠标、游戏控制器）、无线音频传输（如无线话筒、无线耳机、无线音箱）等。图 3-5 RF2500射频模块 CC2500射频收发器是用于低功耗无线应用的业界系统成本最低的多通道无线电产品。工作波段频带是 2.4GHz，包括很多非常有用的数字功能。射频模块通过由6个引脚组成的数字交互界面与控制器进行通信。89C51系列单片机的端口功能强大，每一个位都可以独立地配置成为输入、输出等功能引脚。射频模块可将单片机的P1脚中的6位，分别与CC2500的SI、CLK、SO、GDO2、GDO0、CS相连接，其中由CS、CLK、SI、SO组成SPI口，负责控制器与CC2500之间收发数据的传送。GDO0与GDO2是CC2500可配置的多功能引脚，当CC2500收到数据包时，令GDO0触发控制器引起中断，读取CC2500缓存里的数据。通过配置GDO2则可提供CC2500的CCA检测结果。 对讲系统通过射频模块规定的数据包格式通信，CC2500规定的数据通信格式如图3-5所示。 导言、同步字与CRC校验在发送数据时是由CC2500硬件自动添加，在接收时由硬件自动去除，在信道特性较好的场合，为提高识别速度，可设定16位的导言与16位的同步字。CC2500在固定长度通信模式下，可删去长度域；在可变长度通信模式下，需要8位的长度域给出除去导言与同步字外所有数据负载的字节数。本设计中要用到多种不同长度的通信命令，因此采用了后一种模式。地址域用于CC2500多设备识别，本设计没用到，删去。最后两个字节的CRC校验是长度域、地址域与数据负载的校验和。RF2500性能及特点:(1)工作电压：1.8V3.6V, 推荐靠近3.6V，但是不超过3.6V;(2)2400-2483.5 MHz的ISM和SRD频段，免许可证使用;(3)最高工作速率 500kbps,支持2-FSK、GFSK 和 MSK 调制方式;(4)高接收灵敏度(1.2kbps 下-110dBm，10kbps下-101dBm,250kbps下-90dBm，1数据包误码率);(5)内置硬件 CRC 检错和点对多点通信地址控制;(6)耗电量极低：TX：在 0dBm 为21.2mA RX：在 250kbps 为13.3mA;(7) 可编程控制的输出功率，最大输出功率为0dBm，最小功率为-10dBm，数据速率可在1.2kbps至500kbps之间变化;(8)支持低功率电磁波激活功能,外部中断唤醒、外部中断或RTC唤醒系统;(9)支持传输前自动清理信道访问（CCA），即载波侦听系统;(10)快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统;(11)模块可软件设地址，软件编程非常方便;(12)标准 DIP 间距接口，便于嵌入式应用;(13)单独的64字节RX和TX数据FIFO ;(14)很少的外部组件，工作可靠性高;(15)模块可视直线通信距离，RF2500BK采用PCB天线20米-70左右,RF2500SE采用外置天线可到50-100米;(16) 模块尺寸，RF2500BK采用PCB天线尺寸:28mm*22mm； RF2500SE尺寸：30mm*22mm(不含SMA及天线) 。接口说明：(1) VCC脚接电压范围为 1.9V-3.6V之间，不能在这个区间之外，超过3.6V将会烧毁模块。推荐电压3.3V左右;(2) 除电源VCC和接地端，其余脚都可以直接和普通的5V单片机IO口直接相连，无需电平转换。当然对3V左右的单片机更加适用了;(3) 硬件上面没有SPI的单片机也可以控制本模块，用普通单片机IO口模拟SPI不需要单片机真正的串口介入，只需要普通的单片机IO口就可以了，当然用串口也可以。RF2500构成了语音对讲系统的主体模块。是语音对讲系统成功与否重要模块。3.6音频输出模块设计图3-6 音频输出电路语音对讲系统通过RF2500模块接收到从机读取FLASH通过RF2500发送的数据后，经过单片机的处理后由P2.2口模拟PWM波形输出。PWM波不有直接驱动喇叭发声。系统需要设计一个PWM音频信号放大电路。由于语音对讲系统的设计对声音的质量要求并不是很高只要达到普通的电话音质即可，所以对音频输出模块的设计只用了一个简单的RC低通滤波电路以及LM358跟4871进行音频放大，进而驱动3欧的喇叭发出声音。其电路原理如图3-6所示。 4871概述：4871 是一个 BTL 桥连接的音频功率放大器。它能够在 5V 电源电压下给一个3 负载 提供 THD 小于10%、平均值为3W 输出功率。在关闭模式下电流的典型值为0.6 A 。4871 是为提供大功率，高保真音频输出而专门设计的。它仅仅需要少量的外围元件，并且能工作在 低电压条件下(2.0V-5.5V)。4871 不需要偶合电容，自举电容或者缓冲网络，所以它非常适用于小音量和低重量的低功耗系统。4871主要特性： 在 失真度为10%，输入1KHZ的信号，不同负载的条件下输出功率为： 3 欧姆，3W（典型值） 4 欧姆，2.5W（典型值） 8 欧姆负载，1.5W（典型值）。 待机电流：0.6 A 工作电压：2.0-5.5V 。 在输入信号频率为1KHZ，负载8欧姆，输出平均功率为1W的条件下，最大失真度为0.5% 输出不需要耦合电容，自举电容或者缓冲电路。 体积小，采用 SOP8 封装。 增益稳定。 外部配置可以改变增益。LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。特性：内部频率补偿 、直流电压增益高(约100dB) 、单位增益频带宽(约1MHz) 、电源电压范围宽：单电源(330V)； 双电源(1.5 一15V) 、低功耗电流，适合于电池供电、低输入偏流、低输入失调电压和失调电流、共模输入电压范围宽，包括接地 差模输入电压范围宽，等于电源电压范围、输出电压摆幅大(0 至Vcc-1.5V)。 图3-7 LM358封装图在音频输出模块中R20与C6构成了一个简单的低通滤波器，因为这里用的音频为8KHZ的电话音质，其它高频的杂音通过低通滤波过滤掉。低通滤波器13的截止频率F=1/（2RC），本设计取R20为10K,C6为470PF，其截止频率为29.5KHZ。图3-8 低通滤波电路3.7按键电路设计图3-9 按键模块 切换按键直接使用开关与地相连如图3-9所示。当按键按下时读P1.7口电平，读取P1.7口电平为低电平时时说明按键按下，语音对讲系统切换工作模式从发送变为接收或从接收变为发送，具体通过程序来实现，同时通过程序使数码管显语音对讲系统的工作模式IN（1）或OUT（0），按键的消抖通过程序实现。3.8 电源部分设计基于华邦w25x40FLASH的工作电压以及RF2500模块的工作电压均为3.3V比较合适，STC89C52、LM358、4871都在5V电压下可以工作。语音对讲系统要的是携带方便，单片机、运放以及射频收发模块以及FLASH的功耗都不高，5V电源可由3节1.5V电池串联得到。AMS1117系列稳压器有可调版与多种固定电压版，设计用于提供1A输出电流且工作压差可低至1V。在最大输出电流时，AMS1117器件的压差保证最大不超过1.3V，并随负载电流的减小而逐渐降低。AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以内，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力。AMS1117器件引脚上兼容其他三端SCSI稳压器，提供适用贴片安装的SOT-223，8引脚SOIC，和TO-252(DPAK)塑料封装。 AMS1117 参数 AMS1117 基本参数 输出电流 (A) 1 输出电压 (V) Adj,1.5, 1.8, 2.5, 2.85, 3.3, 5.0, AMS1117 其他特性 初始误差 (%) 1.5 压差 (V) 1.3 AMS1117 封装类型 SOT-223 TO-252 SO-8三端口可调节或固定输出电压 1.5V, 1.8V, 2.5V, 2.85V, 3.3V 和5.0V 输出电流1A 工作压差低至1V 线荷载调节：0.2% Max. 负载调节：0.4% Max. 可选SOT-223,TO-252和SO-8封装 AMS1117应用高效线性稳压器 后置稳压器，用于交换式电源 5V至3.3V线性稳压器、电池充电器、有源SCSI终端笔记本电源管理、电池供电设备。所以语音对讲系统的3.3V电压可以通过集成芯片ASM1117-3.3使用固定输出电压值模式输出如图3-10所示。C16、以及C17用来稳波。图3-10 3.3V电源模块3.9本章小结 本章节对基于CC2500的语音对讲系统做了整体的硬件设计介绍，同时详细的介绍了各个部分的设计方案，在器件的选择上也做了一定的分析。硬件电路的设计对整个基于CC2500的语音对讲系统作用关键。4语音对讲系统软件设计4.1软件开发调试环境 C51工具包的整体结构中，其中uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及A51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。采用KEIL 开发的89c51单片机应用程序步骤：（1）在uVision 集成开发环境中创建新项目（Project），扩展文件名为.UV2并为该项目选定合适的单片机CPU器件（本设计采用STC 公司下的STC89C52）。（2）用uVision 的文本编辑器编写源文件，可以是汇编文件（.ASM）,也可以使C语言文件（扩展名.C），并将该文件添加到项目中去。一个项目文件可以包含多个文件，除了源程序文件外，还可以是库文件、头文件或文本说明文件。（3）通过uVision 3 的相关选择项，配置编译环境、连接定位器以及Debug调试器的功能。（4）对项目中的源文件进行编译连接，生成绝对目标代码和可选的HEX文件，如果出现编译连接错误则返回到第2步，修改源文件中的错误后重构整个项目。（5）对没有语法错误的程序进行仿真调试，调试成功后将HEX文件写入到单片机应用系统的ROM中。4.2软件总体设计框图基于CC2500的语音对讲系统其硬件电路并不是很复杂，RF2500用了现成的模块。单片机的最小系统及一些不大的外围电路所组成。只有硬件电路没有软件支持的系统只是摆设，就像一台电脑没安装操作系统一样，什么都做不了只是一个摆设而已。所以要使语音对讲系统的功能得到较好的实现关键问题在于单片机程序的设计。程序的好坏决定了语音对讲系统的成功与否，所以在编写程序之前应该整体考虑，使程序在逻辑上不发生什么错误，寻找最完善的结构框架就行编程可以使程序更为简洁而不失功能的强大。所以在硬件的基础上，考虑到程序的可读性跟可移植性，基于CC2500的语音对讲系统进行分模块编程，其中包括按键模块，显示模块，FLASH读取模块，PWM音频输出模块以及最为关键的RF2500射频芯片模块的发送跟读取。主程序设计框架好图4-1所示。图4-1 程序主流程图4.3 各模块程序设计4.3.1延时程序void delay_1ms(void) unsign