冒曉莉 ，楊 博 ，楊靜秋 ，馬 超 ，朱偉娜

（1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044;2.南京信息工程大學(xué) 江蘇省氣象探測與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044）

隨著高校數(shù)字設(shè)備的更新，數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)在高校中得到廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)的調(diào)頻發(fā)射機(jī)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(jī)功耗很大，且?guī)缀跛性O(shè)備都沒有靜音關(guān)閉的功能，容易造成電能浪費(fèi)。本文提出的節(jié)能型數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)，可使發(fā)射頻率在88 MHz～108 MHz范圍內(nèi)任意設(shè)置，精度達(dá)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(shí)現(xiàn)了靜音關(guān)閉功能，大大減少電能損耗，起到節(jié)能、環(huán)保的作用。該設(shè)計(jì)可作為學(xué)校數(shù)字化教學(xué)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(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和工作原理

本系統(tǒng)以低功耗單片機(jī)MSP430F149為主控制器、BH1415F模塊為核心，加以聲強(qiáng)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(guān)閉合，系統(tǒng)工作。利用駐極體麥克風(fēng)采集聲音，放大、濾波后，其中一路傳輸給BH1415F調(diào)頻后發(fā)射，液晶屏實(shí)時顯示發(fā)射頻率和狀態(tài)；另一路經(jīng)聲強(qiáng)檢測模塊，將得到的電壓值傳給單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器。當(dāng)有聲音發(fā)出時，采樣得到的電壓值較大，控制繼電器開關(guān)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(nèi)，檢測的電壓值持續(xù)低于設(shè)置的無聲閾值，則控制繼電器開關(guān)斷開，切斷系統(tǒng)所有供電，系統(tǒng)停止工作，達(dá)到靜音關(guān)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(shè)計(jì)

2.1 MSP430簡介

MSP430是TI公司推出的16位系列單片機(jī)，在電池供電的低功耗應(yīng)用中具有獨(dú)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?？蓪?shí)現(xiàn) 2μA甚至 0.1μA的低功耗[1]，且自帶有ADC12模塊，該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)12位精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換，具有高速和通用的特點(diǎn)[2]。多用于智能儀表、智能家電、電池供電便攜式設(shè)備中。

本系統(tǒng)采用MSP430F149單片機(jī)為主控芯片,不僅可以直接應(yīng)用于內(nèi)部集成的12位A/D，滿足設(shè)計(jì)的要求，還可使單片機(jī)進(jìn)入低功耗模式，有效地減少系統(tǒng)功耗，進(jìn)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(fēng)和駐極體麥克風(fēng)。駐極體麥克風(fēng)具有體積小、頻率范圍寬、高保真和成本低的特點(diǎn)[3]，本設(shè)計(jì)采用駐極體麥克風(fēng)初步采集聲音。麥克風(fēng)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(shí)現(xiàn)聲音的簡單采樣。

2.3 數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)模塊

數(shù)字調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)采用BH1415F為核心，組成數(shù)字調(diào)頻發(fā)射模塊。BH1415F是專用的調(diào)頻發(fā)射集成電路，內(nèi)含立體聲信號調(diào)制、調(diào)頻廣播信號發(fā)射電路、前置補(bǔ)償電路、限制器電路、低通濾波電路等，具有良好的音色，且內(nèi)置PPL系統(tǒng)調(diào)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(nèi)容端DA、音頻靜音端MUTE與單片機(jī)I/O端口相連。單片機(jī)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(jìn)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(guān)。

2.4 聲強(qiáng)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(qiáng)給測電路，將交流電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。

2.5 靜音關(guān)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(dāng)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(jī)立刻為繼電器送入高電平使繼電器跳轉(zhuǎn)，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(dāng)單片機(jī)檢測的A/D電壓值持續(xù)小于閘值5 min后，單片機(jī)給繼電器送入低電平，繼電器跳轉(zhuǎn)，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(shè)計(jì)

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(jìn)行初始化設(shè)置。定時1 s，讀出A/D采樣值，并與設(shè)定的閘值進(jìn)行比較，判斷系統(tǒng)是否在使用中。若正在使用，則使計(jì)數(shù)清0；若未使用，則計(jì)數(shù)值加1。計(jì)數(shù)達(dá)300(5 min)時，控制繼電器跳轉(zhuǎn)，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(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的發(fā)射系統(tǒng)靜音關(guān)閉功能不僅節(jié)約電能，同時MSP430單片機(jī)還可以發(fā)揮其低功耗優(yōu)勢，除了必要的設(shè)備初始化以外，其余程序（鍵盤觸發(fā)、定時器、A/D轉(zhuǎn)換）均在中斷中完成。單片機(jī)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(shè)計(jì)方案大大降低了系統(tǒng)功耗[6]。當(dāng)不設(shè)置發(fā)射頻率和發(fā)射狀態(tài)時，單片機(jī)可控制液晶、關(guān)閉背光，從而進(jìn)一步降低功耗節(jié)約電能。

表1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過軟硬件調(diào)試之后，系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了本文所提出的靜音關(guān)閉功能。該發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵性指標(biāo)與常見的幾種無線調(diào)頻發(fā)射系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)比較結(jié)果如表1所示。可以看出，本設(shè)計(jì)除了具有靜音自動關(guān)閉功能優(yōu)勢之外，其他的性能指標(biāo)與所列幾種發(fā)射系統(tǒng)基本相當(dāng)。

針對傳統(tǒng)調(diào)頻發(fā)射機(jī)穩(wěn)定性差、易受干擾、功耗大、浪費(fèi)電能的問題，設(shè)計(jì)了基于MSP430低功耗單片機(jī)和BH1415F的節(jié)能型數(shù)字調(diào)頻發(fā)射機(jī)，正常情況下工作功率約1.2 W。該發(fā)射機(jī)的發(fā)射頻率在88 MHz～108 MHz范圍內(nèi)可調(diào)，最小步進(jìn)為0.1 MHz,發(fā)射功率為0.5 W～0.7 W。本設(shè)計(jì)增加了靜音關(guān)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(fèi),實(shí)用性極強(qiáng),尤其在節(jié)能、環(huán)保方面具有很大的推廣價(jià)值。

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

[2]姜印平,劉江江,李杰.基于MSP430單片機(jī)的智能電池檢測[J].儀器儀表學(xué)報(bào),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(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(2):56-57.

[4]謝三毛.基于單片機(jī)的數(shù)控調(diào)頻發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)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(shù),2006(2):53-54.

[6]蘇維嘉,張金綱.低功耗便攜式心電儀的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2011,37(12):37-39.