一種基于語(yǔ)音報警的雙向遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)系統設計

　　引言

　　遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)(remote keyless entry，RKE)方案對于汽車(chē)的配置來(lái)說(shuō)，已經(jīng)作為一種標準配置，成為汽車(chē)不可或缺的部分。遙控車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)系統(RKE)對于提高汽車(chē)的防盜性、控制性有重要意義。大多數RKE系統具有汽車(chē)防盜、報警功能以及用于汽車(chē)、行李箱的門(mén)禁控制，其中一些系統還包括遙控啟動(dòng)汽車(chē)和汽車(chē)尋找的功能。以往設計的單向RKE 系統是由一個(gè)控制端與一個(gè)執行端組成。這種系統最大的不便是只有用戶(hù)發(fā)送信息給車(chē)門(mén)，而車(chē)門(mén)無(wú)法將自己的信息反饋給用戶(hù)，這就使得用戶(hù)無(wú)法知道車(chē)子的狀況，給車(chē)子的安全性帶來(lái)隱患。此外，由于系統是由電池供電，怎樣盡量降低功耗也是一個(gè)比較大的問(wèn)題。為了解決這兩個(gè)問(wèn)題，本文設計了一個(gè)基于Nordic的nRF401收發(fā)機實(shí)現的雙向RKE系統，同時(shí)采用語(yǔ)音芯片及其相應的濾波放大電路，通過(guò)內置的揚聲器以實(shí)現系統自動(dòng)語(yǔ)音報警。

　　系統中主要實(shí)現兩種功能：當用戶(hù)發(fā)送相應命令時(shí)，車(chē)子自動(dòng)執行上鎖、開(kāi)鎖功能，而當用戶(hù)超出收發(fā)范圍時(shí)，主收發(fā)器能夠自動(dòng)的發(fā)送警告信息，通過(guò)語(yǔ)音的方式告知用戶(hù)已超出安全范圍。數據的無(wú)線(xiàn)收發(fā)功能采用nRF401芯片以實(shí)現；系統的語(yǔ)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(zhuān)為在433MHz ISM (工業(yè)、科研和醫療) 頻段工作而設計。它是目前集成度最高的無(wú)線(xiàn)數傳產(chǎn)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(diǎn)。nRF401 的外圍元件很少，僅10個(gè)左右。只包括一個(gè)4MHz基準晶振(可與MCU共享)、一個(gè)PLL環(huán)路濾波器和一個(gè)VCO電感，收發(fā)天線(xiàn)合一，沒(méi)有調試部件，這給研制及生產(chǎn)帶來(lái)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(guò)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?；祛l器采用1級混頻結構，混頻器的輸出信號經(jīng)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(yǔ)音芯片功能介紹

　　ISD4004芯片采用CMOS技術(shù)，內含振蕩器、平滑濾波器、自動(dòng)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(wú)需電源可保存數據長(cháng)達100年，記錄時(shí)間長(cháng)，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(guò)SPI總線(xiàn)和處理器相連，外圍電路簡(jiǎn)單。

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

　　系統硬件總體設計

　　雙向RKE系統由上位機和下位機兩大部分組成。其中上位機是用戶(hù)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(chē)門(mén)內的，用于開(kāi)啟車(chē)門(mén)。整個(gè)雙向RKE系統構成如圖2所示。

　　系統主要分為兩部分：無(wú)線(xiàn)收發(fā)部分和放音部分。其中核心控制器采用ATMEL公司生產(chǎn)的MCU AT89C52，它通過(guò)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(kāi)關(guān)：
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(shí)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(jīng)過(guò)一定的電平轉換電路。單片機的P1.6通過(guò)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(guò)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(guò)電平轉換電路接ISD4004的串行時(shí)鐘引腳SCLK和中斷引腳/INT；AMCAP為自動(dòng)靜音端，使用時(shí)通過(guò)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(guò)一個(gè)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(gè)引腳要與語(yǔ)音芯片相連，故需要圖中所示的電平轉換電路為4個(gè)(這里頭只畫(huà)出一個(gè))。

　　系統軟件設計

　　通信協(xié)議

　　雙向RKE主要由上位機和下位機組成，要實(shí)現上鎖/開(kāi)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(wú)線(xiàn)數據通信。整個(gè)系統的各個(gè)部分都是服務(wù)于無(wú)線(xiàn)數據傳輸這個(gè)目的。所以，在整個(gè)系統的軟件設計中， 無(wú)線(xiàn)數據的傳輸為最主要部分。無(wú)線(xiàn)傳輸以數據幀的方式進(jìn)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(chē)子ID主要用來(lái)標志特定車(chē)子的信息，以便正確的辨認，如果ID不匹配，數據幀就會(huì )被忽略；信息碼是用來(lái)表示用戶(hù)的操作，這些操作包括上鎖、開(kāi)鎖、顯示警報等。當用戶(hù)發(fā)送相應命令時(shí)，就分別執行上鎖、開(kāi)鎖，而當用戶(hù)超出收發(fā)范圍時(shí)，主收發(fā)器能夠自動(dòng)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(shí)，需重發(fā)數據幀。

　　系統軟件流程設計

　　由于整個(gè)RKE系統為一雙向進(jìn)行的系統，數據終端和主收發(fā)器之間的通信是雙工的，所以在實(shí)際系統運行時(shí)，數據的傳輸方向也是不斷變化的。為此，要實(shí)現雙方協(xié)調通信，就必須設計出一個(gè)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(gè)按鍵命令時(shí)，就表示用戶(hù)要進(jìn)行某種特定的操作，同時(shí)將操作信息送到揚聲器，通過(guò)聲音的方式向用戶(hù)告知要進(jìn)行的操作，此時(shí)上位機就打開(kāi)發(fā)射器，發(fā)送相應的信息碼(如開(kāi)鎖、上鎖等)，而其它時(shí)候上位機都處于接收狀態(tài)，如果沒(méi)有接收到下位機發(fā)送過(guò)來(lái)的地址碼，上位機此時(shí)就可以判斷用戶(hù)此時(shí)處于發(fā)送接收范圍之外，于是通過(guò)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(yǔ)音信號向用戶(hù)告警。如果上位機沒(méi)有收到下位機發(fā)送回來(lái)的ACK(正確回應信號)，此時(shí)上位機會(huì )要求用戶(hù)再次按鍵，知道收到ACK命令，此時(shí)下位機才執行相應操作。

　　而下位機在系統上電后，首先進(jìn)行初始化，然后就打開(kāi)接收機以判斷是否有用戶(hù)在按鍵發(fā)布命令，如果沒(méi)有檢測到按鍵命令，下位機就打開(kāi)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(hù)。而當檢測到按鍵命令時(shí)，下位機首先將上位機發(fā)送過(guò)來(lái)的操作信息碼進(jìn)行校驗，如果檢驗不正確，就要求用戶(hù)重新按鍵；如果檢驗正確，就發(fā)送ACK命令，以確認用戶(hù)的操作是有效的。通過(guò)這種方式，可以有效的實(shí)現上位機和下位機的雙向通信，這樣雙向RKE系統就可以穩定的工作，其下位機收發(fā)流程圖如圖5所示。                 

  

　　結語(yǔ)

　　采用射頻芯片nRF401、AT89C52 MCU及語(yǔ)音芯片ISD4004構成的雙向RKE系統，可以更直觀(guān)的讓用戶(hù)通過(guò)語(yǔ)音的一種方式來(lái)表達所執行的命令，使系統變得方便實(shí)用。同時(shí)，系統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(lái)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(jiǎn)單，不需要太多的外圍電路，這在某種程度上有利于系統的集成，方便用戶(hù)的隨身攜帶。在此系統基礎上，如果在車(chē)門(mén)里再加一個(gè)壓力傳感器，這樣就可以極大的防止車(chē)子遭到人為的破壞，更一步的提高車(chē)子的安全性。此外該系統還可應用在其它的場(chǎng)合，如數字語(yǔ)音通信、無(wú)線(xiàn)遙控防盜門(mén)、智能無(wú)線(xiàn)抄表等等領(lǐng)域，可以得到極大的推廣?！?/p>

　　參考文獻：

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　　3．  黃智偉，朱衛華，陳和.無(wú)線(xiàn)串行接口電路設計[J]. 電測與儀表，2001(7):30-33.