基于ATmega8的无线智能跳频数码扩音系统

’‘。　Ｊ　ＺＵＪＺ年弟ｚ）巷弟／别　

Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．／Ｊｕｌｙ．１５．２０１２　

基于ＡＴｍ　ｅｇ　ａ８的无线智能跳频数码扩音系统　

杨润丰，陈晓宁，朱彩莲　

（东莞职业技术学院电子工程系，广东东莞５２３８０８）　

摘要无线扩音系统能解决许多实际工程中的布线和移动使用的难题。无线传输的方式也从传统的Ｕ段、ｖ段　无线扩音发展到包括红外线、蓝牙和２．４　ＧＨｚ频段在内的无线数字传输方式。数字无线扩音系统可广泛应用在教学、　会场、现代办公、家居等领域。文中介绍基于ＡＴｍｅｇａ８的低成本无线智能跳频数码扩音系统设计，利用智能跳频询址　

技术，可使发射机可更迅速地自动被接收机识别，任意发射机可以匹配任意接收机。　关键词扩音器；ＡＴｍｅｇａ８；跳频；２．４　ＧＨｚ　中图分类号ＴＮ９９　文献标识码Ａ　文章编号１００７—７８２０【２０１２）０７—０５８—０４　

Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｈｏｐｐｉｎｇ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＴｍｅｇａ８　

ＹＡＮＧ　Ｒｕｎｆｅｎｇ，ＣＨＥＮ　Ｘｉａｏｎｉｎｇ，ＺＨＵ　Ｃａｉｌｉａｎ　

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄｏｎｇｇｕａｎ　Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｄｏｎｇｇｕａｎ　５２３８０８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｍａｎｙ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｉｓｓｕｅｓ，ｓｕｃｈ　ａｓ　ｔｏ　ｒｅｐｌａｃｅ　ｗｉｒ—　

ｉｎｇ，ｍｏｂｉｌｅ　ｕｓｅ，ｅｔｃ．Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　Ｕ，Ｖ　ｂａｎｄ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ，ｔｈｅ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ　ｉｎ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｖｉａ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ　ａｎｄ　２．４　ＧＨｚ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｂａｎｄ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ　ｓｙｓ—　

ｔｅｍ　ｃａｎ　ｂｅ　ｗｉｄｅｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｃｌａｓｓｒｏｏｍｓ，ｖｅｎｕｅｓ，ｏｆｆｉｃｅｓ，ｈｏｍｅｓ　ａｎｄ　ｏｔｈｅｒ　ｆｉｅｌｄｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｐｒｅｓｅｎｔｓ　ａｎ　ＡＴｍｅｇａ８一　

ｂａｓｅｄ　ｌｏｗ　ｃｏｓｔ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ　ｗｉｔｈ　ａｎ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｈｏｐｐｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　ｃｈａｎｎｅｌ　ａｄｄｒｅｓｓ　ｅｎｑｕｉｒ—　

Ｙ，ｗｈｉｃｈ　ａｌｌｏｗｓ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ　ｔｏ　ｂｅ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ｒｅｃｏｇｎｉｚｅｄ　ｍｏｒｅ　ｑｕｉｃｋｌｙ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ．Ａｎｙ　ｒｅｃｅｉｖｅｒ　ｃａｎ　ｂｅ　

ｍａｔｃｈｅｄ　ｗｉｔｈ　ａｎｙ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ；ＡＴｍｅｇａ８；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｈｏｐｐｉｎｇ；２．４　ＧＨｚ　

无线扩音系统的广泛应用，解决了实际工程中的　

布线和移动使用的难题。无线传输方式也从传统的Ｕ　

段、Ｖ段无线扩音发展到今天的红外线、蓝牙和　

２．４　ＧＨｚ频段的无线数字传输方式。传统的模拟信号　

无线扩音设备发射器的使用会受到同频、邻频或外界　

电波干扰，扩音的回输较大，而且高频电波辐射大，扩　

音回输会对人的耳膜造成一定的伤害。音频在数字信　

号传输过程中受干扰的可能性小、抗干扰能力强。数　

字无线扩音系统可广泛应用于教学、会场、现代办公、　

家居生活等领域。　

工作于２．４　ＧＨｚ的ＩＳＭ频段有４亿个可用地址　

码，可通过跳频询址技术保证在同一场所同时使用而　

不串频＿】Ｊ。发射信号的频带宽度大于所传信息必需的　

最小带宽，而频带的展宽是通过扩展功能实现，与所传　

信息数据无关，并只有发射器和接收器知道　在接收端　

则用相同的扩频码进行相关解调来解扩及恢复所传信　

收稿日期：２０１２一Ｏ１—０８　基金项目：东莞职业技术学院科研基金资助项目（２０１ｌｂ０２）　作者简介：杨润丰（１９７９一），男，讲师。研究方向：数字信　号处理，无线通信，超宽带。　息数据。数据被所有的跳频点所携带，如果噪音没有　

影响到所有的跳频点，信息就可以被修复，一定条件下　

可以有多个系统在同一频率范围内共存。文中介绍使　

用ＡＴｍｅｇａ８　ＭＣＵ和ｎＲＦ２４Ｉ＿Ｄ１射频收发器件进行开　

发的无线智能跳频数码扩音器设计方案。利用智能跳　

频询址技术，使发射机可更迅速地自动被接收机识别，　

任意发射机可以匹配任意接收机，匹配后自动锁定直　

至发射机关闭或者离开无线电覆盖范围。在无障碍物　

的直线传输条件下输出功率为５　Ｗ、发射和接收有效　

距离≤６０　ｎｌ。　

１　系统分析与设计　

系统由ＭＣＵ、发射和接收系统构成。音频信号由　

发射端的前端信号处理电路放大后送往ＭＣＵ内部　

Ａ／Ｄ进行采样，ＭＣＵ将采样所得数据打包通过ＲＦ模　

块发送出去。接收端ＭＣＵ从ＲＦ模块读取数据包，并　

将其送至ＭＣＵ内部的ＴＩＭＥＲ１进行ＰＷＭ调制，然后　

输出至外部低通滤波器，最后还原得到相应的音频信　

号。系统原理如图ｌ所示。　

５８——ＷＷＷ　ｄｉａｎｚｉｋｅｊｉ．０｜Ｉ

ｑ　杨润丰，等：基于ＡＴｍｅｇａ８的无线智能跳频数码扩音系统　

采样Ｈ数据处理Ｈ　Ｒ　块　

……．一　……一一ｊ　音　频　

数　据　

装　’　…调制Ｈ数据处理Ｈ　ＲＦ模块　

ｉ　ＭＣＵ　ＳＰ　

图１　系统原理图　

１．１　主控ＭＣＵ模块　

ＭＣＵ选用ＡＶＲ系列的ＡＴｍｅｇ￣，其是基于增强　

ＡＶＲ　ＲＩＳＣ结构的低功耗８位ＣＭＯＳ微控制器。由于其　

先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ＡＴｍｅｇａ８的　

数据吞吐率达１　ＭＩＰＳ／ＭＨｚ，１６　ＭＨｚ时性能达１６　ＭＩＰＳ，　

因此可缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。工作电　

压２．７～５．５　Ｖ，内部集成８路１Ｏ位ＡＤＣ、ＳＰＩ串行接口、　

１６位带ＰＷＭ调制输出的定时器、５１２　Ｂｙｔｅ的ＥＥＰＲＯＭ。　

其内部资源能满足发射端和接收端ＭＣＵ的要求　Ｊ。　

１．２　ＲＦ模块　

ｎＲＦ２４Ｌ０１是一款新型单片射频收发器件，工作于　

２．４～２．５　ＧＨｚ　ＩＳＭ频段。内置频率合成器、功率放大　

器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型　

ＳｈｏｃｋＢｕｒｓｔ技术，其中输出功率和通信频道可通过程　

序进行配置。可进行地址及ＣＲＣ检验功能。　

ｎＲＦ２４Ｌ０１功耗低，在以一６　ｄＢｍ的功率发射时，工作　

电流９　ｍＡ；接收时，工作电流ｌ２．３　ｍＡ，多种低功率工　作模式使节能设计更方便。收发双方传输信号的载波　

按照预定规律进行离散变化，以避开干扰、完成传输。　总之，跳频技术ＦＨＳＳ不是抑制干扰而是容忍干扰　ｊ。　

由于载波频率是跳变，具有抗高频及部分带宽干扰的　

能力，当跳变的频率数目足够多和跳频带宽足够宽时，　

其抗干扰能力较强。利用载波频率的快速跳变，具有　

频率分集的作用　ｊ，从而使系统具有抗多径衰落的　

能力。利用跳频图案的正交性可构成跳频码分多址系　

统，共享频谱资源，并具有承受过载的能力。　

１．３音频放大　

如图２所示，该电路Ｕ５Ａ、Ｒ　、Ｃ　Ｒ，、Ｒ　Ｒ　、Ｒ　

负责麦克风输入信号的放大，放大倍数为１０倍。　

其中Ｒ　给麦克风提供直流偏置，经过ｃ　耦合至运放　

Ｕ５Ａ。Ｒ　、Ｒ　Ｒ　用于给运放提供一个虚拟地。如果　

有３．５　ｍｌＴＩ的音频信号接头插入Ｊ５时，后续电路会断　

开和前级放大的连接，从而实现ＭＩＣ声音和外部音频　

输入的切换。Ｕ５Ｂ、Ｒ　、Ｒ　、Ｒ１７、Ｒ　９、Ｃ：。负责输入ＭＩＣ　

和外部音频信号的放大，放大倍数为５倍，原理与前级　

放大相似。运放选用ＬＭＶ３５８，ＬＭＶ３５８是一款Ｒａｉｌ　ｔｏ　

Ｒａｉｌ双运放，工作电压在２．７—５　Ｖ，增益带宽乘积为　

１　ＭＨｚ，工作电流１４０　ＩｘＡ，适合电池供电。　

１．４电源稳压　

ＬＤＯ选用ＰＡＭ３１０１，为正向线性稳压器系列，其　

特色是低静态电流和低压降，是电池供电应用的理想　

选择。小体积ＳＯＴ一２３和ＳＯＴ一８９封装对于便携式　

和发射设备具有吸引力。热关闭和电流限制可防止器　

件在极端的工作环境下失效。　

ＧＮＤ　

图２音频信号放大电路图　Ｃ０　

２系统接口设计　嘉　树，７ｉ　

２．１　发射端系统接Ｉ＝１　ＡＴｍｅｇａ８２１２作频率为１６　ＭＨｚ，故通过设置ＳＰＣＲ、ＳＰＳＲ　

如图３所示，ＡＴｍｅｇａ８通过ＳＰＩ与ＮＲＦ２４Ｌ０１连　寄存器让ＳＰＩ工作于时钟加倍模式，可使ＳＰＩ时钟频　

——————————Ｗ　Ｗ　Ｗ。Ｏｉａｒｌｚｉｋ￣ｊｉ．ｏｒｇ——————————　

５９　杨润丰，等：基于ＡＴｍｅｇａ８的无线智能跳频数码扩音系统　

率达８　ＭＨｚ。内部Ａ／Ｄ工作时钟通过６４分频后为　

２５０　ｋＨｚ；单次转换周期为５２　ｓ；在连续转换模式下，　

采样频率约为２０　ｋＨｚ、８　ｂｉｔ精度。每次完成转换后将　

触发ＡＤＣ中断。电源部分作为电路的重要组成部分，　

其性能好坏直接影响输出音质。由于发射端ＲＦ模块　

工作于发射状态时瞬间电流较大，如果模拟器件和ＲＦ　

模块使用同一ＬＤＯ，则输出音频会受到严重干扰，故模　

拟器件和数字器件各自使用独立ＬＤＯ，力求将影响减　

到最小。　

图３发射端系统接口　

２．２接收端系统接口　

如图４所示，ＡＴｍｅｇａ８与ＮＲＦ２４Ｌ０１连接方式与　

发射端相同，ＩＯ方向设置也与其相同。为了防止　

ＮＲＦ２４Ｌ０１返回ＡＣＫ时造成的电源波动，模拟器件和　

数字器件都各自使用独立ＬＤＯ。由于ＡＴｍｅｇａ８的１０　

口较少，内部数个硬件接口使用同一个１０，导致接口　

冲突。ＳＰＩ的ＭＯＳＩ和Ｔｉｍｅｒ２的ＯＣ２共用ＰＢ　，ＳＳ与　

Ｔｉｍｅｒｌ的ＯＣ１Ｂ共用ＰＢ，，最后只有１６　ｂｉｔ的Ｔｉｍｅｒｌ　

ＯＣ１Ａ可使用。通过修改ＴＣＣＲ１Ａ寄存器让Ｔｉｍｅｒｌ工　

作在８ｂｉｔ　ＰＷＭ模式，工作频率为６２．５　ｋＨｚ。修改　

ＯＣＲ１则可以改变ＯＣ１Ｂ上输出的ＰＷＭ占空比。　

Ｔｉｍｅｒ２在比较匹配模式下工作，每隔５２　ｓ中断一次，　

并修改缓冲区的数据送至Ｔｉｍｅｒｌ，让其改变ＰＷＭ占　

空比，经过低通滤波器滤去ＰＷＭ高频成分后，最终得　

到音频信号。　

图４接收端系统接口　

３主控软件流程　

３．１　发射端软件流程　化，再进行１０设置。接着再对外设ＮＲＦ２４Ｌ０１和　

ＴｉｍｅｒＯ初始化。完成对ＮＲＦ２４ＬＯ１的初始化后，紧接　

着就是对接收机的搜索。流程图内附有简略算法。与　

接收机建立握手后就开始对Ａ／Ｄ初始化，并开始对音　

频信号进行采样，将数据保存至Ａ、曰两个缓冲区，一　

旦Ａ缓冲区溢出后新采样的数据就传输至Ｂ缓冲区，　

并将　缓冲区的数据打包发送。紧接着进入接收模式　

并等待接收端返回ＡＣＫ。与此同时采集的数据将保　

存到曰缓冲区内。当收到ＡＣＫ后将进入下一个循环　

周期。如果１０　ｒａｉｎ内不断发送数据且没有收到ＡＣＫ　

则认为和接收端的连接已经中断，这时将进入待机状　

态。定时器每１０　ｍｓ触发中断，对当前连接状态通过