基于STC8G1K08信标信号板设计

在之前，同学们通过音箱播放信标Chirp音频[2]文件来模拟信标发出的声音，调试相应的麦克风阵列。这种方式比较简单，但还是缺少信标中的调频无线发送的同步音频信号，这使得信标的检测精度降低，响应速度缓慢了。

下面介绍一种使用一款八管脚（SOP8封装）单片机 STC8G1K08来制作简化版的信标信号板，用于车模的调试。

功能定义

根据信标导航信号[3]的要求，信号板需要具有以下四个方面的功能：

1. 能够产生符合要求的Chirp信号[4]，来驱动音频功放通过扬声器发出声音；并通过调频信号发送同步无线信号；

2. 发送调频无线信号，提供给车模接收同步音频信号；并作无线导航。

3. 驱动扬声器发送Chirp声音信号。

4. 与信标控制板连接，检测控制板上的脉冲信号控制信号发送；

为了简化设计，信号板只需要能够产生Chirp信号，并通过调频无线发送即可。使用一个普通的调频收音机接收调频无线信号，并发出Chirp声响，作为实际信标的位置。通过外部连接一个开关来确定是否发出声响。

如果调试多个信标时，可以使用多个调频收音机，分别放在不同的地点。有人工打开或者关闭，模拟多个信标导航的情形。

电路设计

1. STC8G1K08单片机资源

STC8G1K08单片机，SOP8封装，除了电源（VCC），底线（GND）之外，其余管脚都可以使用，除了可以做普通的IO之外，还可以为内部的AD，TIMER，SPI， I2C，CCP等模块提供外部端口。

用于发送调频无线信号的QN8027[5]使用I2C总线控制，使用到8G1K的I2C总线接口（P3.3:SDA, P3.2:SCL）。

由于8G1K08没有DA输出，可以使用其内部CCP模块产生PWM（P5.4:CCP2）信号，通过低通滤波来产生Chirp模拟信号。

输入端口P5.5(INT3)可以用于判断外部的开关信号确定是否发送信号。

最后还剩下UART的两个引脚，可以用于芯片程序下载。并作为普通的IO口来使用。

▲ STC8G1K08端口功能配置

2. STC8G1K08 MCU板设计

（1） 无线调频电路：

无线调频电路包括调频信号发生IC（QN8027）电路以及无线信号功率放大部分。调频信号发生采用了QN8027集成电路设计，大大减少了外围电路设计以及调试过程。使用12MHz晶体提供标准的参考振荡频率。从单片机输出的Chirp信号经过RA1,RA2分压之后，形成大约峰峰值为1V的模拟信号加在音频双声道输入端口ALI（PIN10），ARI（PIN9）。

▲ FM电路设计

产生的调频信号通过电容C6耦合到高频三极管T1(9018)进行功率放大输出，输出射频信号经过电容C3耦合到天线。

（2）PWM低通滤波电路：

由8G1K08产生的PWM信号，需要经过低通滤波形成模拟信号。为了提高信号的质量，需要提高PWM的频率fPWM以及PWM的控制占空比的位数bPWM。在单片机主频fOSC一定的情况下，这两个参数相互牵连，它们之间满足：

在实际设计中，上述参数为：

设计RC低通滤波器的截止频率比fPWM低一个数量级左右。取C=0.1uF，R=220Ω，那么低通滤波器的截止频率为：

（3）电源电路：

由于QN8027只能工作在3.3V电压下。8G1k08单片机可以工作的电压范围比较宽，但是为了能够工作在35MHz的主频下，其电压VCC需要等于5V。另外，为了提高调频信号发射功率，电路的工作电压也需要更好一些。最后选择VCC= 5V。

因此需要单独使用一个3.3V的稳压芯片为AN8027提供电源。此外使用电阻-二极管钳位电路将单片机I2C的5V信号转换成3.3V信号接入QN8027。

▲ 电源电路与I2C总线接口电路

（4）原理图总图：

完整的电路原理图如下图所示：

▲ 原理图设计

（5）PCB设计：

下图给出了快速制版布置的PCB版图，以及焊接之后的测试电路板。在调频无线输出端口，使用一条20厘米的多股铜丝线作为天线。

▲ PCB设计电路图

电路板下面有六针插座，便于在面包板上完成调试。调试完之后，便可以通过该接口连接工作电源以及外部的控制信号了。

六针的定义为：

电路功能调试

1. PWM输出

下图实测在PWM设置为0x1f，输出为50%时，PWM波形以及对应的频率。

▲ CCP2上的PWM波形输出

2. Chirp信号

设置单片机TIMER0，产生10kHz的中断，在中断程序中交替发送0.2048秒的Chirp信号以及0.2048秒的静音。

Chirp信号数据是建立在程序区中的2048字节长度的表格，预先通过PYTHON语言生成6bit的数据。

Chirp生成的公式为：

然后将x[n]转化成0~63的整形数。

下面是经过RC低通滤波之后的Chirp音频模拟信号。

▲ PWM滤波后的Chirp信号

3. 射频信号

使用DSA815频谱仪，外接一根拉杆天线，接收到信号板发送的调频无线信号，频谱的中心在95.1MHz。

▲ 信号板发送的调频无线信号的频谱

调频信号的强度大于本地调频广播的无线信号10倍以上，即使该信号与调频广播电台重叠，信号板发送的调频信号也能够压制住调频广播电台的信号。

下面是通过调频收音机在95.1MHz接收到的音频信号。

▲ 调频收音机接收到的信号

参考资料

[1] 声音信标: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104231420

[2] 信标Chirp音频: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105575349

[3] 信标导航信号: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105004283

[4] Chirp信号: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/105762739

[5] QN8027: https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/104710034

本文涉及到的硬件和软件资源可以在CSDN中下载：

BEACONSTC8G1K08.zip