一種基于語音報警的雙向遙控車門開關系統(tǒng)設計

　　引言

　　遙控車門開關(remote keyless entry，RKE)方案對于汽車的配置來說，已經作為一種標準配置，成為汽車不可或缺的部分。遙控車門開關系統(tǒng)(RKE)對于提高汽車的防盜性、控制性有重要意義。大多數RKE系統(tǒng)具有汽車防盜、報警功能以及用于汽車、行李箱的門禁控制，其中一些系統(tǒng)還包括遙控啟動汽車和汽車尋找的功能。以往設計的單向RKE 系統(tǒng)是由一個控制端與一個執(zhí)行端組成。這種系統(tǒng)最大的不便是只有用戶發(fā)送信息給車門，而車門無法將自己的信息反饋給用戶，這就使得用戶無法知道車子的狀況，給車子的安全性帶來隱患。此外，由于系統(tǒng)是由電池供電，怎樣盡量降低功耗也是一個比較大的問題。為了解決這兩個問題，本文設計了一個基于Nordic的nRF401收發(fā)機實現的雙向RKE系統(tǒng)，同時采用語音芯片及其相應的濾波放大電路，通過內置的揚聲器以實現系統(tǒng)自動語音報警。

　　系統(tǒng)中主要實現兩種功能：當用戶發(fā)送相應命令時，車子自動執(zhí)行上鎖、開鎖功能，而當用戶超出收發(fā)范圍時，主收發(fā)器能夠自動的發(fā)送警告信息，通過語音的方式告知用戶已超出安全范圍。數據的無線收發(fā)功能采用nRF401芯片以實現；系統(tǒng)的語音報警功能采用ISD4004系列芯片。

　　nRF401功能介紹

　　nRF401是挪威Nordic VLSI公司最新推出的單芯片RF收發(fā)機，專為在433MHz ISM (工業(yè)、科研和醫(yī)療) 頻段工作而設計。它是目前集成度最高的無線數傳產品。該芯片集成了高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK 調制、FSK解調、雙頻道切換等功能，具有性能優(yōu)異、功耗低、使用方便等特點。nRF401 的外圍元件很少，僅10個左右。只包括一個4MHz基準晶振(可與MCU共享)、一個PLL環(huán)路濾波器和一個VCO電感，收發(fā)天線合一，沒有調試部件，這給研制及生產帶來了極大的方便。其內部結構如圖1所示。 

　　nRF401采用20腳SSOIC封裝，內部電路可分為發(fā)射電路、接收電路、模式和低功耗控制邏輯電路幾部分。要發(fā)射的數據通過DIN端(第9腳)輸入。射頻功率放大器具有高達+10 dBm輸出功率。接收電路包含有：低噪聲放大器，混頻器，FSK解調器，濾波器等電路。接收電路中，低噪聲放大器放大輸入的射頻信號，接收靈敏度-105 dBm。混頻器采用1級混頻結構，混頻器的輸出信號經中頻濾波器濾波后送入FSK解調器解調，解調后的數字信號在DOUT端(第10腳)輸出。

　　ISD4004系列語音芯片功能介紹

　　ISD4004芯片采用CMOS技術，內含振蕩器、平滑濾波器、自動靜噪、音頻放大器以及多電平閃速存儲器陣列，該芯片為非易失性器件(nonvolatile)，無需電源可保存數據長達100年，記錄時間長，有8、10、12、16分鐘多種芯片，重復記錄可100000次。芯片設計是基于所有操作必須由微控制器控制，通過SPI總線和處理器相連，外圍電路簡單。

　　ISD4004語音芯片不但可以完成錄音過程也可以完成放音過程。本文所討論的語音報警器主要是指裝在用戶隨身攜帶的上位機的放音電路中，不包含錄音電路。而在實際應用中，錄音部分預先將收錄內容存儲到語音芯片中，并分配一個特定的播音地址，當需要報警時只需要讀取該播音首地址，隨即報警信息就由語音芯片通過揚聲器自動播放出來，實現即時報警。

　　系統(tǒng)硬件總體設計

　　雙向RKE系統(tǒng)由上位機和下位機兩大部分組成。其中上位機是用戶隨身攜帶的，可以理解為一種帶報警功能的遙控鑰匙，而下位機是安裝在車門內的，用于開啟車門。整個雙向RKE系統(tǒng)構成如圖2所示。

　　系統(tǒng)主要分為兩部分：無線收發(fā)部分和放音部分。其中核心控制器采用ATMEL公司生產的MCU AT89C52，它通過異步串行口與射頻模塊建立聯(lián)系。 其中射頻收發(fā)芯片nRF401的12腳為通道選擇：CS ="0"為通道#1(433.9 MHz)，CS ="1"為通道#2(434.33MHz)；18腳為電源開關：
PWR UP =“1”為工作模式，PWR UP =“0”為待機模式；19腳為發(fā)射允許：TXEN =“ 1”為發(fā)射模式；TXEN =“0”為接收模式。它們可以分別與MCU的I/O口P1.2，P1.3和P1.4相連,用于這些控制位工作狀態(tài)的選擇，而數據輸入位DIN和數據輸出位則可以分別與單片機的異步串行口TXD和RXD相連，這樣MCU就可以控制射頻芯片的收發(fā)時序了。

　　放音部分由于采用的芯片為ISD4004，其供電電壓為3V，而單片機的所需供電電壓為5V，因此它們之間互連需要經過一定的電平轉換電路。單片機的P1.6通過電平轉換電路接ISD4004的片選引腳/SS，控制ISD4004是否選通；P1.7通過電平轉換電路接ISD4004的串行輸入引腳MOSI，從該引腳讀入放音的地址；P3.2和P3.3分別通過電平轉換電路接ISD4004的串行時鐘引腳SCLK和中斷引腳/INT；AMCAP為自動靜音端，使用時通過一電容接地；ISD4004芯片所需要的連接還有音頻信號輸出引腳AUDOUT，該引腳通過一個濾波放大電路與揚聲器連接，放音電路原理如圖4所示，其中由于單片機的四個引腳要與語音芯片相連，故需要圖中所示的電平轉換電路為4個(這里頭只畫出一個)。

　　系統(tǒng)軟件設計

　　通信協(xié)議

　　雙向RKE主要由上位機和下位機組成，要實現上鎖/開鎖功能及安全報警功能，就必須完成上位機和下位機之間的無線數據通信。整個系統(tǒng)的各個部分都是服務于無線數據傳輸這個目的。所以，在整個系統(tǒng)的軟件設計中， 無線數據的傳輸為最主要部分。無線傳輸以數據幀的方式進行，數據幀的格式如表1所示。

　　前導碼主要是用于防止有用數據被干擾；車子ID主要用來標志特定車子的信息，以便正確的辨認，如果ID不匹配，數據幀就會被忽略；信息碼是用來表示用戶的操作，這些操作包括上鎖、開鎖、顯示警報等。當用戶發(fā)送相應命令時，就分別執(zhí)行上鎖、開鎖，而當用戶超出收發(fā)范圍時，主收發(fā)器能夠自動的發(fā)送警告信息；校驗和則用于檢驗接收的數據是否正確，當不正確時，需重發(fā)數據幀。

　　系統(tǒng)軟件流程設計

　　由于整個RKE系統(tǒng)為一雙向進行的系統(tǒng)，數據終端和主收發(fā)器之間的通信是雙工的，所以在實際系統(tǒng)運行時，數據的傳輸方向也是不斷變化的。為此，要實現雙方協(xié)調通信，就必須設計出一個比較適合的收發(fā)次序。其上位機收發(fā)流程圖如圖4所示。系統(tǒng)上電后，上位機處于待機狀態(tài)。當檢測到上位機發(fā)射一個按鍵命令時，就表示用戶要進行某種特定的操作，同時將操作信息送到揚聲器，通過聲音的方式向用戶告知要進行的操作，此時上位機就打開發(fā)射器，發(fā)送相應的信息碼(如開鎖、上鎖等)，而其它時候上位機都處于接收狀態(tài)，如果沒有接收到下位機發(fā)送過來的地址碼，上位機此時就可以判斷用戶此時處于發(fā)送接收范圍之外，于是通過P1.7讀入放音地址將要預先存儲在上位機中的報警信息,由揚聲器發(fā)出語音信號向用戶告警。如果上位機沒有收到下位機發(fā)送回來的ACK(正確回應信號)，此時上位機會要求用戶再次按鍵，知道收到ACK命令，此時下位機才執(zhí)行相應操作。

　　而下位機在系統(tǒng)上電后，首先進行初始化，然后就打開接收機以判斷是否有用戶在按鍵發(fā)布命令，如果沒有檢測到按鍵命令，下位機就打開發(fā)射機，不斷的發(fā)送地址碼給上位機，以確定雙方是否在通信范圍之內，用以提示用戶。而當檢測到按鍵命令時，下位機首先將上位機發(fā)送過來的操作信息碼進行校驗，如果檢驗不正確，就要求用戶重新按鍵；如果檢驗正確，就發(fā)送ACK命令，以確認用戶的操作是有效的。通過這種方式，可以有效的實現上位機和下位機的雙向通信，這樣雙向RKE系統(tǒng)就可以穩(wěn)定的工作，其下位機收發(fā)流程圖如圖5所示。                 

  

　　結語

　　采用射頻芯片nRF401、AT89C52 MCU及語音芯片ISD4004構成的雙向RKE系統(tǒng)，可以更直觀的讓用戶通過語音的一種方式來表達所執(zhí)行的命令，使系統(tǒng)變得方便實用。同時，系統(tǒng)中所選用的芯片都是功耗較低的，這對于用電池供電的上位機來講非常重要。此外，所選用的芯片的尺寸都非常的小，MCU與nRF401以及ISD4004之間的接口都非常的簡單，不需要太多的外圍電路，這在某種程度上有利于系統(tǒng)的集成，方便用戶的隨身攜帶。在此系統(tǒng)基礎上，如果在車門里再加一個壓力傳感器，這樣就可以極大的防止車子遭到人為的破壞，更一步的提高車子的安全性。此外該系統(tǒng)還可應用在其它的場合，如數字語音通信、無線遙控防盜門、智能無線抄表等等領域，可以得到極大的推廣?！?/p>

　　參考文獻：

　　1.  Nordic VLSI ASA Inc. 315/433 MHz Single Chip RF Transceiver nRF401  [Z].  2001.1.

　　2．  ISD/WINBOND．ISD4004  SERIES Products Datasheets，2000.8

　　3．  黃智偉，朱衛(wèi)華，陳和.無線串行接口電路設計[J]. 電測與儀表，2001(7):30-33.