汽车智能MP3无线发射器的设计

zhoujunyi

引言
    汽车MP3无线发射器可以将MP3播放器内存储的音乐通过FM广播方式发送，再通过FM调频收音机接收，通过汽车音响播放。本文采用单片机AT89C52及数字锁相环MC145152等芯片设计了汽车MP3无线发射器，从仿真结果与目标样机的运行情况来看，均达到了预期效果。
系统组成
    图1为汽车智能MP3无线发射器的系统组成框图，它主要由MC145152、MC1648组成数字锁相环频率合成器，采用变容二极管MV209调频。用户可使用简易的按键，通过单片机AT89C52控制并监测发射频率，同时利用液晶显示器显示反馈信息。另外，可使用串行口实现单片机与计算机的通信，从而通过计算机对发射机进行智能控制。音源不仅可以从车载MP3播放器获取，还可以通过计算机甚至使用网络资源提供。
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图1  系统组成框图

各组成模块的设计
数字锁相环频率合成器的设计
    本文采用MC145152，该芯片集成了晶振、参考分频器、鉴频/鉴相器、可编程分频器等电路，简化了电路设计。同时利用单片机来控制MC145152，确定分频系数A、N和发射频率的对应关系。

    频率合成器的控制由单片机来实现，由式f0=(P×N+A)×fr(式中f0为VCO输出频率，P为图1高速分频器的分频系数，N、A为单片机可编程分频系数，fr为调频步进值)可知，输出频率可由A和N来控制，A和N的值分别从单片机的P2.2~P2.7(6位)和P0口(8位)向MC145152发送。本来发送N值需要10位数据线，但因为f0属于88~108MHz频段，如果采用10KHz调频步进值fr，根据式f0=(P×N+A)×fr计算，可以得到N值最高位(N9，N8)恒为0，可省去单片机的输出口，而将MC145152的N9、N8两脚直接接地。
压控振荡器是频率合成电路的关键部分，采用集成的VCO芯片MC1648，其工作电压为5V，输出频率最高可达225MHz，输出波形失真小，采用由变容二极管MV09和电感组成的并联LC谐振槽路，振荡频率将受变容二极管的偏置电压控制。

高速分频器的设计
    由于发射机的频率高达88MHz ，MC145152无法对其直接分频，必须先用ECL(非饱和型逻辑电路)的高速分频器进行预分频，把频率降低，然后由MC145152进一步分频，得到一个与参考频率相等的频率，并进行鉴相。为使分频系数连续可调，可编程分频电路采用的是吞咽脉冲计数法，它由ECL的高速分频器MC12022及MC145152内部的÷A减法计数器和÷N减法计数器构成。

控制电路设计和频率计算
    控制电路的作用包括：响应按键输入，控制液晶显示，计算并向MC145152输出控制信号以及监测发射频率。 单片机使用11.0592MHz晶振，从X1、X2口接入，晶振的两个引脚分别接30pF的负载电容到地。

    测频可利用单片机来完成。单片机内部有两个计时/计数器，一个用来计时，产生一个标准的时基闸门信号，一个用来计数，计下闸门时间内输入的脉冲个数，然后经换算得到实际输入的频率。

    与MC145152类似，单片机同样无法以高达88MHz的频率直接进行测量，必须先对发射频率进行预分频，降到单片机能够测量的频率范围，并转换成为通用TTL电平，再接入测频接口，所测结果采用液晶显示。MC12022的输出频率至少为88MHz/64=1.375MHz，高于单片机的测频上限，无法直接利用，因此需要再接一个分频系数为100的分频器，本文采用价格较低的分频器74HC390。

    VCO输出频率的范围是88 MHz ~108MHz。首先应确定参考频率fc，fr为步长(频率间隔)。 fr可由式1确定。

     (1)由于R值是固定的，只能从8个参考值中选择，若fc采用10.2400MHz的晶振作为标准频率，对其进行÷R分频，R取2048，分频得到5KHz的脉冲信号作为fr。该值可通过单片机改变。
由fr确定的N值和A值的范围应该在MC145152工作范围内(A值范围0~63，N值范围0~1023)，并且必须满足N>A。采用吞咽脉冲计数的方式，式2为总分频比。只要N>A，尽管P为固定值，只要合理选择N和A的值，∑即可连续。

    (2)此时f0被锁定在：f0=(P×N+A)×fr   

    (3)其中N为0~1023；A为0~63；P=64(由MC12022确定)。通过算式可以方便地算出每个频率对应的参数。
软件设计
    软件设计的关键是 MC145152的控制以及测频显示。软件实现的功能是：
①设定频率间隔fr÷R，即确定调频步进；
②设定分频系数A、N的值，以得到需要的输出频率；
③测量输出频率并显示；
④驱动液晶显示器。

MC145152的控制和显示部分的程序设计
    图2为软件设计流程图。晶振频率为10.2400MHz，首先确定其频率间隔，对其进行÷R分频，若R取2048，得到频率间隔为5kHz。改变计数方法，可以得到的调频步进值分别为5kHz、100kHz和500kHz ， A、N值的计算可由前述的公式来完成，但是在程序设计中并不是将算法编写为程序，而是要找到A、N的变化规律。表1为不同步进值对应的A、N值(限于篇幅只列其中一部分)。当步进值分别为5kHz、100kHz、500kHz时，A值分别增加1、20和36，由于A值的范围是0~63，而且必须满足N>A。 程序设计中，不需要将每个变化都存入单片机，而是使用一个变量fa，其值分别对应不同的步进，取值为1、20或36。这样节省了系统资源，可根据设定频率确定A、N值并送到MC145152中。
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图2  软件设计流程图

频率测量子程序
    频率测量是对设定的输出频率进行实时测定并显示。编程用C语言来实现。该程序包括分频器、测频控制器、计数器和锁存器4个模块。最终将测得的数据锁存后送到液晶显示。其原理是利用计数器对被测频率脉冲计数，当时钟周期为Is时，测得的脉冲个数即为所测频率。测频控制是为了完成自动测频而设计的，它控制计数器的工作，使其计数周期为Is，Is之后就停止计数，将此时的计数值送入锁存器锁存，同时对计数器清零，开始下一个周期的计数，该计数值就是测得的频率。
结语
    在研制汽车MP3无线发射器的过程中，曾采用几套频率合成的设计方案,经过比较,最终选定以单片机控制、MC145152为核心的数字锁相环频率合成电路，实现了频率自动跟踪，中心频率稳定度达到了要求。设计成数控可变频，得到任意的频率，经测试，具有比较高的频率稳定度和可靠性。
参考文献
1 张玉兴. 射频模拟电路[M]. 北京：电子工业出版社,2000.
2 AD8318 Data Sheet.Analog Device Inc.http://www.analog.com.
http://21ic.com/news/n14331c69.aspx