基于A(yíng)T90S2313-4PC的MP3無(wú)線(xiàn)遙控自動(dòng)點(diǎn)播機 (上)

　　小型MP3播放機正在和CD、磁帶隨身聽(tīng)爭奪移動(dòng)應用方面的霸主地位。隨著(zhù)計算機用戶(hù)對網(wǎng)絡(luò )訪(fǎng)問(wèn)的不斷推動(dòng)和上網(wǎng)人數的增多，要是我的計算機能成為MP3 無(wú)線(xiàn)遙控自動(dòng)點(diǎn)播機的服務(wù)器那該多好啊。

下面讓我慢慢給你介紹我的實(shí)現方案吧。該方案可以讓你在家中任何有FM|0">FM收音機（例如一個(gè)WALKMAN隨身聽(tīng)）的地方欣賞MP3音樂(lè )。具體就是通過(guò)在計算機的音頻輸出口接上一個(gè)小功率FM發(fā)射機來(lái)實(shí)現，另外用一個(gè)移動(dòng)單元用來(lái)顯示服務(wù)器上MP3文件夾的內容，以便你可以從頭至尾瀏覽你收藏的音樂(lè )。

　　為使用方便起見(jiàn)，你可以向上滾動(dòng)瀏覽最多4個(gè)包含不同歌曲列表的文件夾。選曲、開(kāi)始、停止和跳曲用一般的紅外線(xiàn)遙控器控制。紅外遙控指令通過(guò)433MHz無(wú)線(xiàn)連接送到作為MP3服務(wù)器的計算機。

　　服務(wù)器端我設計了兩個(gè)模塊， 433MHz接收機和FM發(fā)射機。接收機接收遙控器發(fā)過(guò)來(lái)的指令通過(guò)串行端口輸入到計算機，後臺運行的專(zhuān)用應用程序接收指令把它們分送到 Windows Media Player, Windows Media Player收到指令後播放點(diǎn)播的曲目，第二個(gè)模塊FM發(fā)射機從計算機聲卡輸出取得音頻信號把它發(fā)射出去。

　　為了降低成本簡(jiǎn)化設計，433MHz無(wú)線(xiàn)連接僅以單工方式工作。也就是說(shuō)，在你選定一個(gè)功能後相應指令通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接發(fā)送到MP3計算機服務(wù)器上，如果發(fā)射機沒(méi)有把它發(fā)送到服務(wù)器，你將什么也聽(tīng)不到可再次發(fā)命令。為了避免假指令中斷操作，設計中使用了專(zhuān)用的編解碼芯片，該芯片實(shí)現所有必需的功能，確保只有合法的數據包才能傳輸到MP3服務(wù)器。

　　為了使遙控單元能顯示服務(wù)器上的MP3文件夾的內容，使用前必須先把文件夾的內容下載到遙控單元。這可以通過(guò)MP3服務(wù)器上的串行端口用同樣的應用軟件把無(wú)線(xiàn)輸入的指令送到Windows Media Player實(shí)現。遙控單元內的固件可控制多達4個(gè)不同的音樂(lè )文件夾。

　　為了避免頻繁地更新遙控單元的閃存，建議選定4個(gè)穩定的文件夾來(lái)進(jìn)行遙控播放，其它文件夾用來(lái)存放新下載的音樂(lè )或者經(jīng)常變動(dòng)的收藏。遙控單元有32K×8 閃存，每個(gè)文件夾可以保存200個(gè)歌名（總共800個(gè)歌名）。因為閃存是非易失性存儲器，所以即使遙控單元電源關(guān)掉，歌名數據也會(huì )保存下來(lái)，對于用電池供電的遙控單元來(lái)說(shuō)這點(diǎn)很重要。

　　遙控單元

　　系統的核心是遙控單元，如圖1所示。遙控單元主要由Atmel AT90S2313-4PC組成，Atmel AT90S2313-4PC提供15條I/O（使用了其中12條）內置一個(gè)硬件UART。因為該單元耗電很小，所以我用4節AA電池經(jīng)過(guò) LM2936CZ5低壓差整流器為其供電。

　　圖1 MP3遙控器單元

　　很明顯，如果不能顯示整個(gè)歌名和演唱者的名字，歌名顯示就沒(méi)有什么用處了。由于可能會(huì )有很多歌曲讓你瀏覽，因此定同時(shí)顯示4個(gè)歌名，選用4×40 LCD面板作為顯示屏。與大多數常見(jiàn)LCD相比，該LCD的控制方式不大一樣，用2片HD44780 LSI控制器進(jìn)行控制，其中一片控制LCD上面兩行字符，另一片控制下面兩行。

　　LCD通過(guò)B端口的7根以普通4位數據接口方式與微控制器連接?？刂朴梢桓鵕S和兩根ENABLE組成，其中兩根ENABLE?每個(gè)LSI控制器一根。因為L(cháng)CD只接收指令不需要讀出狀態(tài)，所以R/*W接低電平。

　　在用戶(hù)接口方面，我沒(méi)有采取在面板上安置按鍵和開(kāi)關(guān)來(lái)控制的方法，而是用一個(gè)紅外解碼模塊和一個(gè)通用的紅外遙控器代替。紅外遙控器采用普通而且容易買(mǎi)到的RCA CRCU410型號，它的遙控編碼跟Quasar牌電視機（編碼054）一樣。我之所以選擇這個(gè)編碼是因為它簡(jiǎn)單，用軟件解碼比較容易。各個(gè)鍵和相應功能如表1所示。

　　表1、遙控器各個(gè)鍵和相應功能

　　歌名列表的非易失性存儲使用連續的閃存EEPROM。我選用Mcrochip的24LC256I/P8EA，因為它比較常見(jiàn)容易買(mǎi)到。該芯片I2C器件，因此與微控制器AT90S2313連接僅需雙接口。不過(guò)AT90S2313沒(méi)有內置I2C端口的硬件電路，因此必須用軟件實(shí)現I2C功能。然而幸運的是，Atmel公司提供了一個(gè)AT90S2313作為主控芯片時(shí)的I2C讀/寫(xiě)時(shí)序應用筆記。

必須注意的地方是，I2C規格中SDA和SCL均需要用2.2KΩ上拉電阻。根據A0～A2設定的不同，24LC256I可以被設定成8種不同的 I2C地址，因而閃存可以擴展到256KB。本設計中因為僅用了一個(gè)芯片，所以3根地址都設定為低電平。

　　由24LC256I的使用手知道該器件需要5ms閃存寫(xiě)入時(shí)間，數據從AT90S2313 UART接收部分寫(xiě)入閃存。我設計的下載協(xié)議只有從服務(wù)器PC到遙控單元一個(gè)方向，因此不用“握手”方式工作，所以我選用1200bps數據傳輸率，每隔 8.3ms處理一次輸入的數據字符。這個(gè)間隔可以提供足的時(shí)間把數據發(fā)送到I2C閃存，即使使用軟件實(shí)現I2C功能,仍然有5ms的空馀時(shí)間來(lái)寫(xiě) EEPROM。

　　我沒(méi)有采用諸如MAX232之類(lèi)成熟的RS-232接口，而是用一個(gè)2N3904 NPN三極管和一些無(wú)源器件將主機的RS-232電平轉換成TTL電平。

　　選用Abacom公司AM-RT5-433作為無(wú)線(xiàn)發(fā)射機模塊，其小型SIP封裝很容易裝配。Abacom公司慷慨地寄給我一對發(fā)射機和接收機的樣品。這些廉價(jià)的模塊是針對100碼左右距離應用的，采用簡(jiǎn)單的載波開(kāi)關(guān)調制來(lái)實(shí)現數據的發(fā)射。

　　我使用小型無(wú)線(xiàn)傳輸模塊的其它經(jīng)驗來(lái)自?xún)r(jià)格較貴的Linx HP-II系列(900 MHz)。Linx HP-II系列采用FSK調制，發(fā)射機可直接由UATR驅動(dòng)。

　　Abacom公司的技術(shù)人員說(shuō)我選用的廉價(jià)模塊不能直接與UART端口接口，然而Abacom公司設計了一個(gè)復合芯片NKM2401-N，該芯片根據mode的連接不同可以充當編碼器或者解碼器來(lái)用。本設計中我在每個(gè)無(wú)線(xiàn)數據連接末端均用了這個(gè)器件。

　　遙控單元中NKM2401從AT90S2313 UART端口接收8字節的數據包（以2400 bps數據率），加上同步、預緩沖/後緩沖字節和CRC後再對最終數據進(jìn)行Manchester編碼。因為NKM2401的數據包格式8個(gè)字節，但我的指令僅有2字節長(cháng)，因此我自己加上同步字節和補充字節成了一個(gè)8字節的數據包。NKM2401的數據輸出直接連接到AM-RT5-433發(fā)射機上。至于天線(xiàn)，我使用了1/4波長(cháng)的鞭狀天。

　　我想在遙控單元中取消NKM2401而改用AT90S2313固件程序實(shí)現相應的功能。遙控單元的固件是用匯編語(yǔ)言寫(xiě)的，僅用了AT90S2313 2KB閃存中大約1/3大小的空間，因此可留下很多的空間供其它有需要的程序用。然而在接收端我不打算使用微控制器，因此必須用NKM2401來(lái)解碼。我未能從Abacom公司取得詳細的通信協(xié)議（他們的協(xié)議比較容易看懂）因此我無(wú)法編寫(xiě)程序實(shí)現數據包的編碼。給我點(diǎn)時(shí)間的話(huà)我可能會(huì )用示波器或者計算機上的程序捕捉到數據流對它進(jìn)行反向工程最後實(shí)現這個(gè)編碼過(guò)程，遺憾的是沒(méi)時(shí)間了。

　　在繼續進(jìn)行之前我補充幾點(diǎn)。AT90S2313使用陶瓷振蕩器工作在4MHz，這對于比較低的串行數據通信速率來(lái)說(shuō)是足了的。我必須把UART的速率設定在1200bps(數據下載期間)來(lái)接收數據，但發(fā)射時(shí)把速率設定在2400bps（通過(guò)NKM2401和發(fā)射機發(fā)送命令）。我不得不這做，因為 NKM2401僅工作在2400bps速率，1200bps是可用于下載的最高速率（考慮串行閃存的寫(xiě)入時(shí)間）。

　　最後遙控單元上有一個(gè)標著(zhù)J1 Link Test的跳。如果裝上跳NMK2401-N將會(huì )不斷地發(fā)送“ABACOM”信息，該信息可以用來(lái)檢測無(wú)線(xiàn)連接。

　　無(wú)線(xiàn)接收機模塊

　　無(wú)線(xiàn)接收機的作用是接收MP3遙控單元發(fā)射的433MHz信號?把信號轉換成RS-232電平送到服務(wù)器PC。

　　Abacom公司的AM-HRR3-433接收機如圖2所示。接收機模塊跟發(fā)射機一樣使用同樣的1/4波長(cháng)鞭狀天。

　　圖2 Abacom公司的AM-HRR3-433接收機

　　在沒(méi)有接收信號的時(shí)候，接收機模塊的輸出滿(mǎn)是毛刺和噪音。我用示波器觀(guān)察發(fā)現一點(diǎn)信號都沒(méi)有，因為我住在鄉村地區。正因為這個(gè)原因必須使用Abacom公司的NKM2401-N芯片。接收機中NKM2401-N的模式（第4）接地，使其工作于解碼模式。用一個(gè)普通PNP三極管反相器向服務(wù)器PC提供虛擬 RS232電平信號。

　　LM2936CZ5低壓差整流器接收機提供5V直流電。大多數時(shí)間接收機模塊都連在MP3服務(wù)器計算機的串行端口上，然而出于工作需要，有時(shí)遙控單元必須連接到PC（例如下載歌名列表的時(shí)候），因此我制作一根短電纜把PC上的DB9插座接到一個(gè)5pin DIN插頭上，接收機和遙控單元均用配對的5pin DIN插座，這樣你就可以按需要把設備連起來(lái)了。

Abacom公司的接收機/發(fā)射機模塊與NKM2401-N配合使用非?？煽?。無(wú)線(xiàn)發(fā)送指令是本設計的一個(gè)亮點(diǎn)。唯一覺(jué)得不足的是不能把433MHz接收機和FM發(fā)射機模塊裝在同一個(gè)機箱內。當把FM發(fā)射機放在接收機旁邊時(shí)，發(fā)射機的RF輸出會(huì )對接收 機靈敏度有輕微影響，造成無(wú)線(xiàn)連接僅能在20碼范圍內工作，跟我的預期目標相比發(fā)射距離太近了。然而當我把FM發(fā)射機裝進(jìn)機箱里把它放到離433MHz接收機幾碼遠的地方時(shí)，發(fā)射距離近的問(wèn)題解了，這時(shí)發(fā)射距離增加到約50碼（注意這仍然在室內）。

　　FM發(fā)射機

　　我構想這個(gè)設計的時(shí)候就預料到一定會(huì )有一些設計中的難點(diǎn)或者編程上的問(wèn)題。開(kāi)始我總認為制作一個(gè)小型FM發(fā)射機是很容易的事，所以我把這項工作留到最後完成。然而正如墨菲定律所說(shuō)的一樣，當初我認為最簡(jiǎn)單的事情到最後成為整個(gè)設計中最棘手和最耗費時(shí)間的部分。

　　曾經(jīng)謠傳基于Rohm BA1404 IC的FM立體聲發(fā)射機套件經(jīng)常會(huì )因為工作不穩定而導致無(wú)法使用，不過(guò)我還是鬼使神差地買(mǎi)了這個(gè)套件。唉，謠傳是真的──它的頻率穩定性實(shí)在是太差了，以致不能和現代數字調諧FM接收機配合工作。即使我用高質(zhì)量的RF調諧元件替換了原來(lái)的便宜貨，問(wèn)題依然存在。了取得心理平衡我只能這想∶這個(gè)IC是在數字FM接收機發(fā)明前設計的，其不能與數字調諧FM接收機配合工作情有可原。老式模擬FM接收機具備自動(dòng)頻率控制電路，有可能會(huì )克服這個(gè)發(fā)射機套件的頻飄吧。

　　我找到了一個(gè)PLL穩頻的FM發(fā)射機套件，但其高達200美元的價(jià)格對本設計來(lái)說(shuō)太不合算了。幾年前我曾經(jīng)做過(guò)幾個(gè)10－400MHz范圍的PLL頻率發(fā)生器，因此我想嘗試自己制作FM發(fā)射機。

　　不過(guò)那是惡夢(mèng)的開(kāi)始。我過(guò)去所用的PLL芯片現在買(mǎi)不到了。目前大多數的PLL IC是專(zhuān)門(mén)用于移動(dòng)電話(huà)之類(lèi)的，它們在低于100MHz下不能穩定工作。雖然我也找到了一些針對FM發(fā)射用的IC，但它們的封裝形式太小以致不能焊接。

　　在這種情況下我決定另辟蹊蹺。因此我必須用微控制器來(lái)控制PLL芯片，為什么我不完全丟掉PLL芯片而用微控制器測量和控制振蕩頻率？我所想的可以認?是一個(gè)自動(dòng)穩頻器。

　　我的想法可以用圖3描述。振蕩頻率主要由電感和可變電容設定。本設計中我把調諧范圍大概定在88～92MHz，這兩方面的原因∶第一，FM波段低端商業(yè)電臺較少；更重要的是96MHz是該電路能測量的最高頻率。

　　圖3 FM發(fā)射機框圖

　　確了穩定性和FM調制兩個(gè)目的，振蕩器由一個(gè)變容二極管控制頻率微調。變容二極管的電容量由加在它上面的偏置電壓定。這個(gè)偏置電壓由兩個(gè)分量控制。12位 DAC提供的直流電平和一個(gè)交流信號雙重作用在變容二極管上以實(shí)現頻率調制。DAC的輸出電壓初始值設置在中間值（2V），通過(guò)手動(dòng)調整可變電容（微調）把振蕩器調到指定的頻率，其後微控制器會(huì )稍微上下調整DAC的輸出電壓來(lái)穩定這個(gè)頻率。

　　要用微控制器測量振蕩器的頻率必須先把它進(jìn)行16預分頻。這可由普通的74F161 4位分頻器完成。預分頻輸出大概在5～6MHz頻率范圍，這個(gè)頻率可以用微控制器的16位計數器/定時(shí)器進(jìn)行計數。

　　確了確定振蕩頻率,先把16位計數器清零，經(jīng)過(guò)設定的時(shí)間間隔之後再把它的值讀出來(lái)。設定時(shí)間間隔由微控制器中另一個(gè)計數器/定時(shí)器編程控制，每5.461ms周期中斷一次。這樣16位計數器中的值可以這樣計算∶

　　Counter/timer Value=(fosc/16)×(5.461×10-3)

　　實(shí)際操作時(shí)微控制器讀出16位定時(shí)器的值把它與用你選擇的頻率代人上述方程計算出來(lái)的一個(gè)常數進(jìn)行比較。如果振蕩頻率太低了DAC的值就會(huì )向上加1再試；相反地如果振蕩頻率太高了，DAC值就1。如此反復直到振蕩器的頻率落在你所選頻點(diǎn)附近的很窄的帶寬內。

　　這個(gè)電路一般來(lái)說(shuō)可能會(huì )一直處于搜索狀態(tài)，有兩個(gè)原因∶第一，因為在采樣時(shí)間內振蕩器信號的變化會(huì )使計數器/定時(shí)器總會(huì )出現1次計數誤差；第二，由于振蕩器被音頻信號進(jìn)行頻率調制，其頻率會(huì )隨著(zhù)這個(gè)調制電壓而變化。

　　我們是不希望出現一直搜索的情的，因為這會(huì )導致接收機收到的音樂(lè )中夾著(zhù)調制聲。避免這種情發(fā)生，微控制器一旦把頻率調定，就進(jìn)入期10分鐘的 “休眠”狀態(tài)，10分鐘過(guò)後再檢測一次頻率。除非室內溫度出現較大變化，否則振蕩器就幾乎不用修正，本電路就可保證正常工作。

　　AVR AFC

　　在我詳細描述怎樣實(shí)現自動(dòng)頻率控制FM發(fā)射機前，請先看一下圖4以有一個(gè)感性認識。首先我需要一個(gè)可以對6MHz頻率進(jìn)行計數的微控制器且該微控制器還必須具備另外一個(gè)定時(shí)器，用來(lái)發(fā)出讀計數器和清零計數器的中斷沖。我選用Atmel AT90S2313-10PC，因它內部含有我所需要的功能。然而我必須讓它在超出它額定頻率10MHz的12MHz頻率下工作以獲得6MHz頻率的計數能力。順便說(shuō)一下，這樣適當對Atmel AT90S2313“超頻”到目前為止還沒(méi)有出現過(guò)什么問(wèn)題。

　　圖4 自動(dòng)微調的發(fā)射機單元

　　當發(fā)射機制作完成設定在某個(gè)信道之後FM振蕩器頻率就可確定。因此，簡(jiǎn)化操作，在程序開(kāi)頭我輸入了所需的發(fā)射頻率作為常數，程序經(jīng)編譯以後下載到AT90S2313做成一個(gè)固定頻率的FM發(fā)射機。