PCM2702与BH1417的USB音频发射系统
发布时间：2010-2-3 11:39
发布者：李宽
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USB(Universal Serial Bus)即通用串行总线，是一种新型的数据通信技术。当采用USB接口连接设备与计算机时，无需重新设置系统，也不必打开机壳来调整接口卡的指拨开关，计算机会自动识别接口设备，同时下传给外设的驱动程序。USB接口具有即插即用、速度快、易扩展等优点，已成为现今个人计算机上最重要的接口之一，更是一般消费性电子产品上不可或缺的接口。 短距离无线通信具有抗干扰能力强、可靠性高、安全性好、受地理条件限制较少、安装施工简便灵活等特点，应用非常广泛，如汽车遥控门钥、无线抄表、无线点菜、遥控遥测、小区自动化等。 多媒体的成熟大大推动了上述两项技术的融合。特别对于音频信号，USB声卡相比机箱内的板载声卡来说，远离高频干扰环境，音质效果好，且易于携带；但是由于受到音频接口线的影响，局限在一定的范围内，且无法同时与多人分享，而短距离无线通信技术具有受地理条件限制小、可靠性高、安全性好等优点。 结合两者技术的优点，本设计利用TI公司的 PCM2702来实现USB音频信号的采集，利用Rohm公司的BH1417来实现音频信号的立体声无线传输。可通过单片机同步显示频率，并控制 80～180 MHz 14段频率的切换，可实现10～100 m内的高速音频信号传输。 1 主要芯片介绍 1.1 PCM2702芯片 数／模转换芯片PCM2702有2个数／模转换输出通道和1个一体化的USB接口控制器，该接口符合USB1.0标准；采用最新开发的SPAct(采样期内自适应控制跟踪)系统，能够从USB接口的音频数据中分离出一个稳定的、偏差较小的时钟信号以协调PLL和DAC 工作。 PCM2702主要由3部分组成：Burr-Brown公司研制的增强型多层次δ-σ调制器，8×重复采样数字插值滤波器和模拟输出低通滤波器。PCM2702可以接收48 kHz、44 kHz和32 kHz的16位立体声或单声道音频数据；内部集成有数字电位器的软件静音功能，通过USB的音频等级需求可以控制电位器和静音功能。 1.2 BH1417芯片 BH1417是一款集立体声FM、频率合成和RF放大器等功能于一体的大规模专用调频发射集成电路。它可工作于 87～108 MHz频段，与简单的外围电路配合使用，可发射音频FM信号，配合普通的调频立体声接收机就可实现无线调频立体声传输。FM立体声发射器发射出的立体声的信号分离度可达50 dB，失真小于0.3％，而且电路的稳定性大大加强。单单就收发效果而言，已基本接近正规的FM电台。 BHl417 由5部分组成：音频预处理电路(加重、限幅和低通滤波)；基频产生电路(晶振、分频)；锁相环电路(相位检测、锁频)；频率设定电路(高低电平转换)；调频发射电路。外围电路主要有频率控制电路、压控振荡器组成的载波产生电路，定时器以及一些耦合电容。 BH1417将预加重电路、限幅电路、低通滤波电路(LPF)一体化，使音频信号的质量比分立元件(如BA1404、NJM2035等)的电路有很大改进；采用锁相环锁频，并与调频发射电路一体化，使得发射的频率非常稳定；采用4路高低电平进行频率设定，可设定14个频点，使用非常方便。 2 硬件电路设计 USB 音频发射系统原理框图如图1所示。该系统主要由USB声卡模块、无线发射模块、单片机控制模块、键盘输入模块、频率显示模块和电源模块等构成。 
当USB声卡模块和计算机连接后，计算机自动识别，并输出立体声音频信号；音频信号传送至无线发射模块，经过处理后，变换成调频电波发射出去。同时，单片机系统会控制调频发射模块的D0～D3四个引脚的高低电平，从而控制发射频率，同步将发射频率显示出来。 2.1 USB声卡模块 如图2所示，USB声卡模块主要由带有USB接口的16位立体声数／模转换芯片PCM2702和音频运算放大器OPA2134组成。PCM2702外围电路比较简单，由数／模双电源供电，在数模信号接地时采用磁珠或0 Ω电阻进行隔离，有效降低数模信号之间的干扰。在PCM2702模拟输出端，考虑到信号的驱动能力不够，采用音频专用运放OPA2134构成一个多重反馈型低通滤波器，同时对信号进一步放大和还原，输出的音频信号直接供无线发射模块使用。考虑到整体音质的效果，电路中与音频信号相关的电容尽量选择优质电容。 
2.2 无线发射模块 如图3所示，无线发射模块主要由大规模专用的调频发射集成电路BH1417及简单外围电路构成。 
(1)立体声调制电路 音频信号通过1脚、22脚输入后，由BH1417的 21、20、19、2、3、4脚和外电路配合通过预加重电路、限幅电路和低通滤波器后送到混合器中。由13脚、14脚输入的接入7.6 MHz晶振的振荡电路，通过200分频产生38 kHz的副载波信号。38 kHz副载波通过2分频后产生19 kHz的导频信号，左声道减去右声道的信号与38 kHz的副载波进行平衡调制，调制后的复合信号通过5脚输出。 (2)调频发射电路 调频发射电路采用频率稳定的锁相环系统。BH1417的15、16、17、18脚输入的频率代码经过解码和鉴相后，由7脚输出LC振荡器的控制信号VCO。此VCO控制外部分立元件组成的高频振荡电路产生FM调频的载波信号，并通过2个三极管C9018对5脚输出的复合立体声信号进行FM频率调制。调制后的信号通过9脚输入到BH1417，经过内部的射频放大器放大后的射频信号由11脚输出。输出后的信号可以直接接到发射天线上进行发射。BH1417频点发射对应的高低电平如表1所列。 
(3)高频振荡电路 BH1417的5、7、9、10、12引脚配合与其连接的分立元件，构成调频载波的频率振荡和射频调制部分；13、14脚需要外接7.6 MHz的晶体振荡器，提供给BH1417内部的鉴相、立体声信号调制等部分所需要的稳定时钟；6、8为电源部分；11脚与外部连接的元件构成调频信号发射部分。 (4)三极管放大电路 BH1417的11脚信号输出后，采用9018来一级放大。 2.3单片机控制和频率显示模块 单片机控制和频率显示电路如图4所示，主要由AT89C51、键盘输入和液晶显示模块组成。单片机P2口的4个引脚分别连接BH1417的15、16、17、18引脚，通过键盘控制其高低电平，进而控制BH1417的频率输出，同时将频率显示到1602液晶上。 
2.4 电源模块 电源模块电路如图5所示。12 V直流输入经过LM78L05ACH稳压管，5 V输出。电源部分主要为USB声卡模拟输出、音频放大、无线发射以及单片机控制和频率显示部分提供电源。为了减少无线发射模块对单片机控制和频率显示模块的干扰，可在电源和接地之间加入磁珠或0 Ω电阻。 
3 软件程序设计 系统软件流程如图6所示。系统上电后，单片机系统初始化，P2的4个端口都为低，设定为87.7 MHz发射，同时在1602上显示频率。而后进入键盘循环扫描状态，当检测到键盘按下时判断键值，根据键值调整P2四个端口的电平高低，进而控制 BH1417的发射频率，然后显示频率。本系统的工作频率分为14个频段，详见表1。判断键值来增加／减少频率。当频率达到88.9 MHz或106.7 MHz时，跳过PLL停止档位。 
4 系统制作、调试及抗干扰措施 在系统的焊接中要注意贴片的焊接，防止人体和烙铁的静电把芯片损坏。由于本系统是信号的传输，所以在通用板上布局时要尽量减少信号线的长度，滤波电容尽量离输出元器件近，以免产生多余的杂波。 系统调试过程中，由于本系统中有数字电路、模拟低频和模拟高频电路，注意相关电源的正确连接，以免引起电路的异常和干扰，且电源间要加去耦电路。 先调试USB声卡模块。根据PCM2702的资料，USB上电的时间要短，才能确保电脑正确地找到设备，并安装好。然后，进行无线发射模块的调试。由于实验室没有测频仪器，只好直接用精确度高的收音机直接接收测试。测试时，先将4个控制引脚用跳线接地，确保能够发射出无线信号后，再进行频率的校正和单片机控制显示等。 该系统对于抗干扰性有一定的要求，所以在电源模块中分别给出了数字、模拟低频、模拟高频的电源端口，加入磁珠和0 Ω电阻以减少相互之间的干扰。电路设计时，各个模块独立成块，四周接地以减少电磁干扰等；且各个模块中添加了必要的保护电路，确保电路的稳定性、可靠性。 结语 基于PCM2702与BH1417的USB音频发射系统采用模块化的设计方法，使得整个系统具有一定的扩展性且可以分开独立使用。尽管也有USB声卡和2.4 GHz构成的无限USB声卡方案，但是由于其频率不可变且需要配套的接收设备，无法做到与多人分享且保密性不强。使用调频发射，可以利用现成的收音机接收，频率可调可以加强安全性。 参考文献 1. 任晖.基于USB的通用无线传输接口设计[J].单片机与嵌入式系统应用,2006(2). 2. 朱晓章.低功耗高集成度高保真度USB声卡的设计与制作[J].实验科学与技术,2005,3(z1). 3. 孙加存,王鹏.一种实用的调频发射电路设计[J].苏州市职业大学学报,2008,19(3). 4. 铃木宪次.高频电路设计和制作[M].北京:科学出版社,2003. 5. 马忠梅,籍顺心,张凯,等.单片机的C语言应用程序设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007:2-7. 作者：李晨霞(上海理工大学) 刘峰伟,康娟(中国计量学院) 来源：《单片机与嵌入式系统应用》 2009（10） |
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