Si472x射频收发芯片的交通状况提示装置

引 言
    本交通状况提示装置采用调频收发技术，可实现在道路发生交通事故、道路阻塞或能见度低的雨雾天气等情况下，向周围车辆发送提醒信号，并自动开启车内危险报警闪光灯，提醒后方来车，同时，在高峰易赛车路段，可向周围车辆及时传达路况信息。本装置结构简单，成本低，便于每辆汽车上安装。
    本系统主要是针对Silicon Lab公司推出的Si4721系列芯片设计的，对于其他系列的产品稍加改动即可，其设计思路基本相同且引脚兼容。

1 Si4721单芯片射频收发器简介
    Si472x功能框图如图1所示。

    Si472x系列主要包含Si4720和Si4721，都是20引脚QFN封装，支持调频信号76 MHz～108 MHz全波段收发，且可全频段自动搜索及频率自锁定，工作电压2．7～5．5 V均适用。其设计与Si473x AM／FM广播接收器、Si470x FM广播接收器，以及Si471x FM发射器解决方案相兼容。由于这种兼容性，单一PCB设计可以无缝支持所有这些产品。与单片机通信时，可使用与I2C兼容的2-Wire、3-Wire及SPI接口方式。Si4721与Si4720的主要不同点是，Si4721内部有RDS／RBDS处理器，是一款支持欧洲广播数据系统(RDS)和美国无线广播数据系统(RBDS)的单芯片FM广播收发器。
    Si472x系列芯片内部集成有功能完备的ADC及DAC部件，外部音频信号可直接输入芯片发射出去，同时接收到的音频信号加放大器后，可驱动扬声器播放。Si472x这款全新的单芯片FM广播收发器充分利用了独特的射频专业技术，在集成与性能方面实现了又一次创新。它支持客户在简化系统设计、降低产品成本的同时，进一步改善了消费者的听觉体验。Si472x支持模拟和数字音频接口，并提供诸如录制FM广播作为铃声等特性。由于不再使用多余的数据转换器，这种数字音频接口还可降低系统功耗、延长电池的使用时间。另外，Si472x FM收发器针对便携式应用进行了优化，具有可接收FM广播信号，以及从设备至任何FM接收器创建无线音频连接的能力。它也是支持调频广播收发一体的可支持小型化天线的系列芯片。由于采用了小型化天线，Si472x系列芯片可以很方便地设置在许多便携式设备PCB板中，包括有蓝牙功能的设备。因为它所占PCB空间极小，可以省去外置天线带来的许多不便。

2 道路交通状况提示装置工作原理
    本装置主要包含1个核心微控制器、1个单芯片FM收发器、1个可存储和可实时录入多段语音信息的语音电路、功率放大电路及音频放大电路。系统总体设计框图如图2所示。

    系统以Silicon Labs公司的C8051F310为控制核心。单芯片FM收发器采用大规模集成芯片Si4721实现，可通过编程控制使其分别工作在接收或发射模式。语音模块采用集成录放音芯片ISD2560，可实现录制和存储针对各种交通状况的语音提示信息(如车牌号码、车辆故障停车、道路阻塞或维修等)；同时可切换录音话筒直接对外喊话(如车辆着火有爆炸危险、车祸后人员被困无法出来等状况)。该装置集接收和发送于一体。默认状态处于接收，可接收周围150 m远的车辆发来的语音提示或报警信号，通过扬声器循环播放，以便驾驶员作出相应调整。当车辆遇故障抛锚，或碰到能见度低的雨雾天气时，通过单片机选中语音芯片中事先存储好的语音信号地址，调出其中存储的语音内容(例如：“车牌号为xxxxxxx的车辆因故障靠边停车，后方来车请小心驾驶!”)，然后按下发送按键，向周围车辆发送，并自动开启车内危险报警闪光灯，做到多种方式提醒后方来车小心驾驶。
    当遇道路阻塞、道路维修时，按下相应按钮，打开语音模块的实时录入功能，录入阻塞道路名称或维修道路名称等相应信息(例如：“某某路段现处于赛车高峰，请各车辆绕道而行”)，按下发送按钮，便可以向周围车辆发送该信号，以便其他车辆及时做出择道选择。
    当遇车辆发生车祸被困车内等紧急情况，可打开实时喊话功能，通过麦克风输入电路直接对外进行喊话，然后通过收发模块发射出去，并自动开启车内危险报警闪光灯。

3 系统硬件设计
3．1 收发器硬件设计
    单芯片FM收发器采用Si4721芯片，接口电路如图3所示。芯片工作频率由外部32．768 kHz晶振提供，分别接入RCLK和DCLK引脚。

    Si4721通过I2C总线兼容的2-Wire工作模式与单片机通信。单片机通过指令控制Si4721工作在发射模式或接收模式，从语音电路输出的语音信号输入Si4721，经过Si4721内部射频电路及天线发射出去。单片机通过发送接收模式指令使Si4721工作在接收模式。设定相关频段，从天线接收到的信号经过Si4721最终从扬声器输出。
3．2 微控制器硬件设计
    系统采用单片机C8051F310控制。C8051F31x器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片，能实现51系列单片机的所有功能，并且速度快、性能好。选用这款功能强大单片机的目的是为了给整个系统后续发展打下基础，便于系统功能后续升级及扩展。
    C8051F310使用Silicon Labs公司的专利CIP-51微控制器内核，有29个I／O引脚(3个8位口和1个5位口)，端口的工作情况与标准8051相似，但有一些改进。每个端口引脚都可以被配置为模拟输入或数字I／O，数字交叉开关允许将内部数字系统资源映射到端口I／O引脚。可通过设置交叉开关控制寄存器将片内的计数器／定时器、串行总线、硬件中断、比较器输出以及微控制器内部的其他数字信号配置为出现在端口I／O引脚。这一特性允许用户根据自己的特定应用选择通用端口I／O和所需数字资源的组合。片内Silicon Labs二线(C2)开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品MCU进行非侵入式(不占用片内资源)、全速、在系统调试。
    CIP-51采用流水线结构，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时钟周期，最大系统时钟频率为12～24 MHz。而对于CIP-51内核，70％的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于4个系统时钟周期。CIP-51共有111条指令。CIP-51工作在最大系统时钟频率25 MHz时，它的峰值速度达到25MIPS。

3．3 语音录放电路硬件设计
    语音电路采用ISD2560语音芯片，通过单片机控制其功能引脚CE、PD和P／R，实现对麦克风采集的音频信号的录入及处理，然后输出信号至Si4721收发器。同时访问地址线，可以存储多段录音。图4是语音电路原理。
    单片语音录放集成电路ISD2560，可实现多段信息处理的多功能语音录放，最大可存储语音信号段数为600段，每段可录音时间为60 s，能重复录放达10万次。芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，省去了A／D、D／A转换器。每个采样值直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”。ISD2560集成度较高，内部包括前置放大器、内部时钟、定时器、采样时钟、滤波器、自动增益控制、逻辑控制、模拟收发器、解码器和480 KB的EPROM等。

3．4 射频功率放大电路硬件设计
    射频功率放大采用的是50～850 MHz的功放芯片SBB-2089，其实功率增益可达20 dB，目前收发距离可达150 m左右，比较适于交通状况提示所用。在无委会允许情况下，也可进一步扩大接收距离。功率放大电路如图5所示。

4 系统软件流程
    由于系统默认为接收状态，所以接收程序中只需直接POWER UP，它对应的命令为0x01；若需转入发射状态，则需先切换到POWER DOWN状态，再重新POWERUP。Si472x收发程序流程如图6所示，系统程序流程如图7所示。

5 系统性能测试、评价与展望
5．1 测试环境
    测试时采用两套装置，12 V镍锰电池供电。一套用于发射，另一套用于接收。在校园较空旷的林荫道上测试距离达150 m以上，语音清晰，且传输距离可调(若无委会允许可以做得更远)。在实际使用中，可用车载点烟器输出的12 V供电。
5．2 性能测试及评价
    经测试，整个系统功能完整，传输距离和语音质量等各项性能达到设计要求。以下是详细测试情况：
    ①可准确接收周边150 m以上车辆告警信号；
    ②接收到的语音信号清晰悦耳；
    ③可实时录入阻塞道路名称或维修道路名称，然后发送出去；
    ④按键延时检测确认发送功能，有效避免误发送；
    ⑤可实现多段语音录放管理；
    ⑥紧急情况可实时直接对外喊话；
    ⑦可根据需要自动开启车内危险报警闪光灯；
    ⑧便捷的交互接口，液晶显示操作提示，使得操作更加方便。
    目前所用发射端功放为小功率功放，如加大功放，发射传输距离可达500 m或者更远。

结 语
    此技术除了用于道路交通状况提示以外，只要加以修改加工还可用于其他用途，如对讲机、门铃、遥控器等。本技术可应用面广，在本产品中还未能体现其所有功能，我们今后的发展方向，争取将此产品更加完善。