基于ATmega8的無線擴(kuò)音系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)接口設(shè)計(jì)

2．1 發(fā)射端系統(tǒng)接口

如圖3所示，ATmega8通過SPI與NRF24L01連接。在對(duì)NRF24L01初始化之前，必須對(duì)IO口進(jìn)行初始化，方向寄存器DDR設(shè)置如圖上的箭頭所示。ATmega8工作頻率為16 MHz，故通過設(shè)置SPCR、SPSR寄存器讓SPI工作于時(shí)鐘加倍模式，可使SPI時(shí)鐘頻率達(dá)8 MHz。內(nèi)部A／D工作時(shí)鐘通過64分頻后為250 kHz；單次轉(zhuǎn)換周期為52μs；在連續(xù)轉(zhuǎn)換模式下，采樣頻率約為20 kHz、8 bit精度。每次完成轉(zhuǎn)換后將觸發(fā)ADC中斷。電源部分作為電路的重要組成部分，其性能好壞直接影響輸出音質(zhì)。由于發(fā)射端RF模塊工作于發(fā)射狀態(tài)時(shí)瞬間電流較大，如果模擬器件和RF模塊使用同一LDO，則輸出音頻會(huì)受到嚴(yán)重干擾，故模擬器件和數(shù)字器件各自使用獨(dú)立LDO，力求將影響減到最小。


2．2 接收端系統(tǒng)接口

如圖4所示，ATmega8與NRF24L01連接方式與發(fā)射端相同，IO方向設(shè)置也與其相同。為了防止NRF24L01返回ACK時(shí)造成的電源波動(dòng)，模擬器件和數(shù)字器件都各自使用獨(dú)立LDO。由于ATmega8的IO口較少，內(nèi)部數(shù)個(gè)硬件接口使用同一個(gè)IO，導(dǎo)致接口沖突。SPI的MOSI和Timer2的OC2共用PB3，SS與Timer1的OC1B共用PB2，最后只有16 bit的Timer1OC1A可使用。通過修改TCCR1A寄存器讓Timer1工作在8bit PWM模式，工作頻率為62．5 kHz。修改OCR1則可以改變OC1B上輸出的PWM占空比。Timer2在比較匹配模式下工作，每隔52μs中斷一次，并修改緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)送至Timer1，讓其改變PWM占空比，經(jīng)過低通濾波器濾去PWM高頻成分后，最終得到音頻信號(hào)。


3 主控軟件流程

3．1 發(fā)射端軟件流程

MCU上電復(fù)位后，首先會(huì)對(duì)SPI接口進(jìn)行初始化，再進(jìn)行IO設(shè)置。接著再對(duì)外設(shè)NRF24L01和Timer0初始化。完成對(duì)NRF24L01的初始化后，緊接著就是對(duì)接收機(jī)的搜索。流程圖內(nèi)附有簡(jiǎn)略算法。與接收機(jī)建立握手后就開始對(duì)A／D初始化，并開始對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行采樣，將數(shù)據(jù)保存至A、B兩個(gè)緩沖區(qū)，一旦A緩沖區(qū)溢出后新采樣的數(shù)據(jù)就傳輸至B緩沖區(qū)，并將A緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)打包發(fā)送。緊接著進(jìn)入接收模式并等待接收端返回ACK。與此同時(shí)采集的數(shù)據(jù)將保存到B緩沖區(qū)內(nèi)。當(dāng)收到ACK后將進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)周期。如果10 min內(nèi)不斷發(fā)送數(shù)據(jù)且沒有收到ACK則認(rèn)為和接收端的連接已經(jīng)中斷，這時(shí)將進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。定時(shí)器每10 ms觸發(fā)中斷，對(duì)當(dāng)前連接狀態(tài)通過紅綠LED進(jìn)行顯示。正常狀態(tài)時(shí)綠色LED長(zhǎng)亮，一旦出現(xiàn)丟包現(xiàn)象則只有紅LED長(zhǎng)亮，用于告知發(fā)射端和接受端的距離過遠(yuǎn)或信號(hào)受到障礙物阻擋、干擾。

3．2 接收端軟件流程

接收端的軟件實(shí)現(xiàn)流程為發(fā)射端的逆過程。首先對(duì)ATmage8的IO、SPI、定時(shí)器、NRF24L01進(jìn)行初始化，其設(shè)置與發(fā)射端一致。接著設(shè)置NRF24L01為接受狀態(tài)，MCU將搜索發(fā)射端握手信號(hào)和空閑頻道，如果搜索不到握手信號(hào)時(shí)將在空閑頻道上等待發(fā)射主動(dòng)搜索到該頻道。完成信號(hào)握手后接收端將會(huì)一直等待發(fā)射端發(fā)送數(shù)據(jù)包，并把數(shù)據(jù)包內(nèi)的數(shù)據(jù)移至緩沖區(qū)，10 min后收不到數(shù)據(jù)包則進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。Timer2工作
于比較匹配模式，一旦TNCT2等于OCR2時(shí)，MCU會(huì)對(duì)TNCT2硬件清零，從而產(chǎn)生一個(gè)周期為52μs的比較匹配中斷，并利用這個(gè)中斷去從緩沖區(qū)讀取音頻數(shù)據(jù)至Timer1用于輸出PWM占空比。與此同時(shí)，timer也將產(chǎn)生一個(gè)10 ms的中斷用于LED顯示連接狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)原理與發(fā)射端的一致。

4 性能測(cè)試

無線智能跳頻數(shù)碼擴(kuò)音器實(shí)現(xiàn)射頻頻率在2．4～2．5 CHz的數(shù)碼傳輸。在無遮擋直線傳輸?shù)臈l件下，有效距離達(dá)60 m。收、發(fā)機(jī)可自動(dòng)應(yīng)答和重發(fā)。頻響為100 Hz～10 kHz。信噪比>45 dB。在125個(gè)可選工作頻道中自動(dòng)跳頻，頻道切換時(shí)間極短。發(fā)射器工作狀態(tài)電流最大為12 mA，靜待狀態(tài)電流最大為0．06 mA，輸出功率5 W，數(shù)據(jù)速率為2 Mbit·s-1。

5 結(jié)束語(yǔ)

無線智能跳頻數(shù)碼擴(kuò)音器設(shè)計(jì)方案，是利用ATmega8 MCU和nRF24L01射頻收發(fā)器件，以及智能跳頻詢址技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的，在可選工作頻道中自動(dòng)跳頻，頻道切換時(shí)間極短。在無障礙物的直線傳輸條件下實(shí)現(xiàn)輸出功率為5 W、發(fā)射和接收有效距離在60 m以內(nèi)。ATmega8 MCU的應(yīng)用雖然降低了該擴(kuò)音器的成本，但ATmega8 MCU的性能限制，使擴(kuò)音效果存在音頻爆音現(xiàn)象。處理的方法有不少，其中可采用窄帶高頻及中頻選頻濾波，外加噪聲數(shù)碼抑制電路，有效避免脈沖雜音，多種增強(qiáng)主音源，最大限度抑制了背景噪音，提高了傳音質(zhì)量。