冒曉莉 ，楊 博 ，楊靜秋 ，馬 超 ，朱偉娜

（1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，江蘇 南京 210044）

隨著高校數(shù)字設備的更新，數(shù)字調頻發(fā)射機在高校中得到廣泛應用。但傳統(tǒng)的調頻發(fā)射機以模擬電路為主，發(fā)射頻率固定、穩(wěn)定性差；而數(shù)字式發(fā)射機功耗很大，且?guī)缀跛性O備都沒有靜音關閉的功能，容易造成電能浪費。本文提出的節(jié)能型數(shù)字調頻發(fā)射機的設計，可使發(fā)射頻率在88 MHz～108 MHz范圍內任意設置，精度達0.1 MHz，可有效避免干擾，提高穩(wěn)定性。選用的低功耗系統(tǒng)實現(xiàn)了靜音關閉功能，大大減少電能損耗，起到節(jié)能、環(huán)保的作用。該設計可作為學校數(shù)字化教學的無線話筒使用，也可用于組建小型的廣播系統(tǒng)，具有很強的實用價值。

1 系統(tǒng)設計和工作原理

本系統(tǒng)以低功耗單片機MSP430F149為主控制器、BH1415F模塊為核心，加以聲強檢測模塊、繼電器控制模塊以及液晶顯示、矩陣鍵盤等模塊組成。該系統(tǒng)的工作原理如下：首先觸發(fā)工作按鈕，繼電器開關閉合，系統(tǒng)工作。利用駐極體麥克風采集聲音，放大、濾波后，其中一路傳輸給BH1415F調頻后發(fā)射，液晶屏實時顯示發(fā)射頻率和狀態(tài)；另一路經(jīng)聲強檢測模塊，將得到的電壓值傳給單片機內部A/D轉換器。當有聲音發(fā)出時，采樣得到的電壓值較大，控制繼電器開關一直閉合，系統(tǒng)處于工作狀態(tài)；一旦聲音停止，電壓值將變得很小，若在一定時間內，檢測的電壓值持續(xù)低于設置的無聲閾值，則控制繼電器開關斷開，切斷系統(tǒng)所有供電，系統(tǒng)停止工作，達到靜音關閉的功能。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

2 硬件設計

2.1 MSP430簡介

MSP430是TI公司推出的16位系列單片機，在電池供電的低功耗應用中具有獨特的優(yōu)勢。其工作電壓在1.8 V～3.6 V范圍之間，正常工作時功耗可控制在200 μA左右。可實現(xiàn) 2μA甚至 0.1μA的低功耗[1]，且自帶有ADC12模塊，該模塊能夠實現(xiàn)12位精度的數(shù)模轉換，具有高速和通用的特點[2]。多用于智能儀表、智能家電、電池供電便攜式設備中。

本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機為主控芯片,不僅可以直接應用于內部集成的12位A/D，滿足設計的要求，還可使單片機進入低功耗模式，有效地減少系統(tǒng)功耗，進一步節(jié)約電能。

2.2 聲音采集模塊

目前市面上較多的是動圈式麥克風和駐極體麥克風。駐極體麥克風具有體積小、頻率范圍寬、高保真和成本低的特點[3]，本設計采用駐極體麥克風初步采集聲音。麥克風通過3.5 mm立體聲插座接入電路，信號經(jīng)濾波后，由三極管9014放大，得到適合的電壓值，實現(xiàn)聲音的簡單采樣。

2.3 數(shù)字調頻發(fā)射機模塊

數(shù)字調頻發(fā)射系統(tǒng)采用BH1415F為核心，組成數(shù)字調頻發(fā)射模塊。BH1415F是專用的調頻發(fā)射集成電路，內含立體聲信號調制、調頻廣播信號發(fā)射電路、前置補償電路、限制器電路、低通濾波電路等，具有良好的音色，且內置PPL系統(tǒng)調頻發(fā)射電路，傳輸頻率非常穩(wěn)定[4]。

將BH1415F的傳輸使能端CE、傳輸時鐘端CK、傳送內容端DA、音頻靜音端MUTE與單片機I/O端口相連。單片機通過CE、CK、DA 3個管腳，用串行通信的方法向BH1415F寫入16位控制字，對其發(fā)射頻率、立體聲及PLL輸出狀態(tài)進行控制；通過對MUTE管腳送入高低電平，控制音頻靜音功能的開/關。

2.4 聲強檢測模塊

經(jīng)聲音采集模塊得到交流信號，為了提高檢測精度和效率，選用整流芯片AD736[5]，采用如圖 2所示的聲強給測電路，將交流電壓轉換為直流電壓。由于得到的直流信號較小，AD736輸出的電壓需經(jīng) LM324放大，再將得到的理想電壓值送至A/D轉換器。

2.5 靜音關閉控制模塊

電源通過繼電器常開一端接入系統(tǒng)。不使用時，電源斷開，系統(tǒng)不工作。當觸發(fā)系統(tǒng)工作按鈕后，觸發(fā)瞬間電路接通，電源給系統(tǒng)供電，單片機立刻為繼電器送入高電平使繼電器跳轉，常開一端閉合，電源接入電路中。此時，即使松開工作按鈕，系統(tǒng)也可正常工作，繼電器控制電路如圖3所示。

當單片機檢測的A/D電壓值持續(xù)小于閘值5 min后，單片機給繼電器送入低電平，繼電器跳轉，常開一端斷開，電源斷開連接，停止供電，系統(tǒng)停止工作。

3 軟件設計

3.1 軟件流程

系統(tǒng)工作按鈕被觸發(fā)后，繼電器常開端閉合，進行初始化設置。定時1 s，讀出A/D采樣值，并與設定的閘值進行比較，判斷系統(tǒng)是否在使用中。若正在使用，則使計數(shù)清0；若未使用，則計數(shù)值加1。計數(shù)達300(5 min)時，控制繼電器跳轉，切斷電源。定時中斷流程圖如圖4所示。

圖4 定時中斷流程圖

3.2 低功耗設計

本文設計的發(fā)射系統(tǒng)靜音關閉功能不僅節(jié)約電能，同時MSP430單片機還可以發(fā)揮其低功耗優(yōu)勢，除了必要的設備初始化以外，其余程序（鍵盤觸發(fā)、定時器、A/D轉換）均在中斷中完成。單片機大部分時間處于LPM1低功耗模式中，只有中斷被觸發(fā)才被喚醒，這一設計方案大大降低了系統(tǒng)功耗[6]。當不設置發(fā)射頻率和發(fā)射狀態(tài)時，單片機可控制液晶、關閉背光，從而進一步降低功耗節(jié)約電能。

表1 實驗結果對比

4 實驗結果

經(jīng)過軟硬件調試之后，系統(tǒng)成功實現(xiàn)了本文所提出的靜音關閉功能。該發(fā)射系統(tǒng)的關鍵性指標與常見的幾種無線調頻發(fā)射系統(tǒng)的技術指標比較結果如表1所示?？梢钥闯觯驹O計除了具有靜音自動關閉功能優(yōu)勢之外，其他的性能指標與所列幾種發(fā)射系統(tǒng)基本相當。

針對傳統(tǒng)調頻發(fā)射機穩(wěn)定性差、易受干擾、功耗大、浪費電能的問題，設計了基于MSP430低功耗單片機和BH1415F的節(jié)能型數(shù)字調頻發(fā)射機，正常情況下工作功率約1.2 W。該發(fā)射機的發(fā)射頻率在88 MHz～108 MHz范圍內可調，最小步進為0.1 MHz,發(fā)射功率為0.5 W～0.7 W。本設計增加了靜音關閉的功能，停止使用一段時間后,系統(tǒng)可自動切斷電源,可有效減少不必要的電能浪費,實用性極強,尤其在節(jié)能、環(huán)保方面具有很大的推廣價值。

[1]郝妍娜,洪志良.基于MCU和nRF905的低功耗遠距離無線傳輸系統(tǒng)[J].電子技術應用,2007,33(8):44-47.

[2]姜印平,劉江江,李杰.基于MSP430單片機的智能電池檢測[J].儀器儀表學報,2008,29(5):1040-1043.

[3]秦麗,潘峰,孟令軍.面向聲定位的低功耗音頻信號采集系統(tǒng)的設計[J].儀表技術與傳感器,2009(2):56-57.

[4]謝三毛.基于單片機的數(shù)控調頻發(fā)生器設計[J].煤礦機械,2010(3):246-248.

[5]于德會,孫文林,王海軍.基于AD736的交流伏安特性測試[J].儀表技術,2006(2):53-54.

[6]蘇維嘉,張金綱.低功耗便攜式心電儀的設計[J].電子技術應用,2011,37(12):37-39.