MAXQ3120 混合信號微控制器的應用案例

　　監視系統的設計者和廠(chǎng)商一直希望微控制器能夠為日常監視應用提供不斷增加的通用功能，包括滿(mǎn)足用電計量、汽車(chē)監控、數據搜集和傳感器調節等方面的要求。MAXQ3120 就是為了滿(mǎn)足這些要求而開(kāi)發(fā)的低功耗、高速微控制器。它的主要技術(shù)規范如下。

　　監視系統的設計者和廠(chǎng)商一直希望微控制器能夠為日常監視應用提供不斷增加的通用功能，包括滿(mǎn)足用電計量、汽車(chē)監控、數據搜集和傳感器調節等方面的要求。MAXQ3120 就是為了滿(mǎn)足這些要求而開(kāi)發(fā)的低功耗、高速微控制器。它的主要技術(shù)規范如下。

•16 位、每秒8 百萬(wàn)條指令(8MIPS)、單周期RISK 核
•32kB 閃存(flash 存儲器)
• 512B RAM
•具有獨立波特率產(chǎn)生器的2 個(gè)UART
•3 個(gè)定時(shí)器，其中1 個(gè)支持PWM D/A
• 紅外通信功能
•可驅動(dòng)112 段LCD 的控制器
• 依靠電池備份、具有日歷和亞秒鬧鐘功能的實(shí)時(shí)時(shí)鐘
•16 x 16 位單周期乘法器和40 位累加器
•2 個(gè)16 位精密模數轉換器(ADC)
下面介紹利用MAXQ3120 微控制器的以上特性和模擬I/O 及DSP 功能可以完成一些什么樣的任務(wù)。

語(yǔ)音記錄子系統

　　概念: 給一組工程師一片ADC，他們就會(huì )發(fā)現如何用它來(lái)記錄語(yǔ)音。但是，除了簡(jiǎn)單的記錄聲音，MAXQ3120 還能夠做很多事情。以MAXQ3120 為核心，配合用戶(hù)接口元件和廉價(jià)的NAND 閃存，就可構建一個(gè)功能完善的語(yǔ)音記錄子系統。

　　細節: 可以利用MAXQ3120 的一個(gè)ADC 和PWM 定時(shí)器實(shí)現音頻I/O。ADC 的額定輸入電壓為+1V 到-1V，其內置的前置放大器的可編程增益可達16。通常，具有內置阻抗匹配的電容式拾音頭可以直接連接到ADC 的輸入端。如果需要低噪聲或高增益，可以采用Maxim 公司的前置放大器MAX4467 ，該放大器能為拾音頭提供所需的偏置，且為電池供電的應用提供功耗極低的關(guān)斷模式。在輸出端，用一個(gè)單級放大器驅動(dòng)揚聲器，該放大器同時(shí)還具有一定的抗混疊和PWM 平滑功能。

　　音頻信號被轉換成數字信號后，必須進(jìn)行壓縮和存儲，以備重放。8MIPS 的處理能力使MAXQ3120 擁有足夠的“馬力”來(lái)應付許多常用的標準語(yǔ)音編碼任務(wù)。此領(lǐng)域的“金科玉律”是ITU G.711 編碼，其工作速率為64kbps ，每秒發(fā)送和接收8000 個(gè)8 位采樣。ITU G.711 編碼有兩種不同的傳遞函數，用來(lái)將12 位采樣值轉換為8 位編碼字。這兩種函數就是通常所謂的A 律(主要用在歐洲)和µ律(主要用在美國)。

　　如果期望更高的壓縮率，可以犧牲一些話(huà)音質(zhì)量，采用ITU G.726 編碼。G.726 編碼采用自適應差分脈沖編碼調制(ADPCM)方案對語(yǔ)音信號進(jìn)行更高效率的編碼。這種編碼支持多種位率，最低為16kbps 。對大多數應用來(lái)說(shuō)，該編碼要求的處理速度不大于3MIPS。ITU G.711 和ITU G.726 編碼都只需要很少的RAM。在錄音階段，定時(shí)器每125µs (8MHz 時(shí)鐘頻率下每1000 個(gè)處理器周期)產(chǎn)生一次中斷請求，微處理器響應中斷后，計算在上一個(gè)定時(shí)器周期內得到的采樣值的平均值(二或三個(gè)采樣，ADC 每48µs 采樣一次)，以便獲得需要的8kHz 采樣率。之后，所采集的16 位采樣就可采用選定的編碼方案進(jìn)行編碼。在回放時(shí)，采樣數據被線(xiàn)性化后送到PWM 控制器，驅動(dòng)揚聲器。

　　壓縮后的音頻數據就可用于存儲，但MAXQ3120 微控制器除了程序閃存外沒(méi)有其他的存儲器，因此需用外部存儲器來(lái)存儲語(yǔ)音數據。對于此應用性?xún)r(jià)比最高的外部存儲器是NAND 閃存，其容量可達8 吉位。對于16kbps 編碼，這種器件可提供超過(guò)6 天的語(yǔ)音存儲。但是，NAND 閃存并不完善。首先，大多數NAND 閃存器件都帶有一個(gè)“瑕疵圖”，告訴應用軟件在存儲器陣列中的何處有“壞點(diǎn)”存在。其次，就像其他的可擦除存儲器一樣，在長(cháng)期使用后，NAND 閃存的有些單元會(huì )喪失存儲能力。幸運的是，NAND 閃存的這些缺陷對語(yǔ)音應用的影響不大，不像對固態(tài)磁盤(pán)等應用的影響那么大。在語(yǔ)音應用中，NAND 閃存的這些缺陷可以被忽略，它們最多使語(yǔ)音中存在瞬間干擾。

　　對于容量如此巨大的語(yǔ)音存儲，必須進(jìn)行有效的存儲管理。這項工作由系統的用戶(hù)接口部分完成，用戶(hù)接口部分的核心是LCD 控制器。它能夠驅動(dòng)4 個(gè)公共面上的28 段顯示，MAXQ3120 的LCD 控制器兼容于大量現有的3V LCD 玻璃?？梢苑浅５偷某杀精@得定制的LCD 模塊。

　　用戶(hù)可以通過(guò)連接到MAXQ3120 通用I/O 端口的按鈕來(lái)控制語(yǔ)音記錄系統。MAXQ3120 有4 個(gè)8 位通用I/O 端口與器件的其他功能共用。

　　還需要做什么？ MAXQ3120 是用于高級語(yǔ)音記錄系統的理想微控制器。在利用它設計語(yǔ)音記錄系統時(shí)，設計者僅需要完成下列工作：

•設計用戶(hù)接口: 選擇一款LCD ，確定如何顯示信息、設置按鈕功能、如何記錄和組織語(yǔ)音數據。
•選擇聲碼器: 可以選用以上提到的兩個(gè)ITU 編碼器之一，也可以選用其他的專(zhuān)用編碼器，在存儲器容量足夠大時(shí)還可以直接存儲語(yǔ)音信號的原始采樣值。許多標準編碼器的C 語(yǔ)言源代碼是可以買(mǎi)到的，因此只需要簡(jiǎn)單地開(kāi)發(fā)接口程序。
•選擇存儲介質(zhì): NAND 閃存是理想的選擇，但也可以根據實(shí)際情況選擇其他的存儲器，例如，廉價(jià)的通用可移動(dòng)存儲器(SD、SmartMedia™ 或MMC 存儲卡)。有些廠(chǎng)商還可提供存儲卡接口的C 語(yǔ)言源代碼和開(kāi)發(fā)工具。
•電池管理: 如果語(yǔ)音記錄系統用電池供電，就需要某種形式的電源管理。Maxim 有多種高效的低功耗電池管理方案。結合這些方案和MAXQ3120 的低功耗停止和睡眠模式，將使語(yǔ)音記錄器具有滿(mǎn)意的電池壽命。

多普勒雷達

　　概念: 很多年以前執法部門(mén)就在使用多普勒測速雷達。如果這種雷達系統的造價(jià)能夠大大降低，那它的用途就不僅僅限于對付那些道路上的超速者。比如，它可在前方車(chē)輛停車(chē)時(shí)提醒駕駛員。MAXQ3120 能在多普勒雷達系統中發(fā)揮哪些作用呢？

　　細節: 多普勒雷達的工作原理比較簡(jiǎn)單。雷達裝置發(fā)射一個(gè)連續的、已知頻率的微波束(在美國微波頻率已上升到Ku 波段，約24.150GHz) ，微波束遇到移動(dòng)目標后被反射回來(lái)。由于反射波的頻率稍微高于或低于發(fā)射波的頻率，所以把反射波和發(fā)射波混頻后可以得到頻率由下式確定的“拍音”：

f = [v * (f0 / c)] * cosθ

　　其中，ν是待測目標的速度，f0 是額定發(fā)射頻率，θ是目標運動(dòng)方向與雷達系統之間的夾角(如圖1A 所示)，c 是光速。注意，如果目標直接對著(zhù)雷達系統而來(lái)，則θ= 0，cosθ= 1 ，目標的運動(dòng)速度變?yōu)椋?/P>

v = [f / (f0 / c)]

　　例如，如果Ku 波段多普勒雷達產(chǎn)生1kHz 的“拍音”，則測量的目標直面而來(lái)(或而退)的速度為12.4m/s (即每小時(shí)28 英里或45 公里)?？捎肕AXQ3120 處理這種音頻信號，框圖如圖1B 所示。

 
圖1A. 接收信號的多普勒頻移取決于目標的運動(dòng)速度和目標運動(dòng)方向與雷達系統之間的夾角。

 
圖1B. 在多普勒雷達系統中，MAXQ3120 控制雷達頭，并從雷達模塊輸出的中頻(IF)信號中提取“拍音”信號。

　　利用兩個(gè)ADC 通道中的一個(gè)，MAXQ3120 能夠采樣雷達模塊輸出的差分信號，提取出其中的最強頻率分量，并把它換算成每小時(shí)公里或英里數。此外，利用MAXQ3120 的乘-加單元還可進(jìn)行一些復雜的濾波運算，從復雜的信號中提取出最強的頻率分量，并且可能從微弱信號中提取出有用信息(比如，多普勒雷達系統運載車(chē)輛本身的運動(dòng)速度)。

　　很多情況下，用戶(hù)接口的設計非?，嵥椤３Ｊ且恍┻壿嬏幚砘蛘咄ㄟ^(guò)開(kāi)關(guān)觸發(fā)音頻告警。有些應用中，微控制器還要周期性地記錄速度、以及進(jìn)行速度測量的時(shí)間和日期等。

　　還需要做什么？多數廠(chǎng)家生產(chǎn)的多普勒雷達模塊輸出音頻IF。對簡(jiǎn)單的測速雷達系統，剩下的工作非常簡(jiǎn)單。對于更復雜一些的測量分析系統，還需要開(kāi)發(fā)一些有關(guān)信號處理的算法。幸運的是，有許多可用于輔助開(kāi)發(fā)濾波算法和識別算法的優(yōu)秀工具。

　　有些雷達系統需要指示目標的運動(dòng)方向，即目標是遠離還是靠近雷達？傳統的多普勒雷達不能完成這項工作；它們對速度一樣而方向相反的運動(dòng)產(chǎn)生相同的頻移量?，F在，有些廠(chǎng)家生產(chǎn)的雷達模塊包含兩路正交

　　輸出，解調這兩路輸出，根據它們的相位差雷達系統便可以確定目標的運動(dòng)方向。MAXQ3120 微控制器有兩個(gè)ADC，用它可以很容易地實(shí)現這種功能。

電話(huà)管理器

　　概念: 有時(shí)人們希望追蹤電話(huà)的使用情況(誰(shuí)與誰(shuí)通了話(huà)，什么時(shí)候通的話(huà)，通話(huà)時(shí)間是多少)，但又不愿購買(mǎi)昂貴、復雜的通話(huà)計費系統。這種情況的例子很多。比如，父母想追蹤孩子的電話(huà)使用情況。職業(yè)人員想要一個(gè)自動(dòng)記錄他們何時(shí)給誰(shuí)打了電話(huà)，以及誰(shuí)何時(shí)給他們打了電話(huà)的日志工具。當各個(gè)房間的電話(huà)公用一條電話(huà)線(xiàn)時(shí)，那些以住宿加(次日)早餐方式出租房間的房東，就希望有可以追蹤電話(huà)使用情況的系統。這種系統可以使他們比較容易地向客人收取電話(huà)費?？梢岳肕AXQ3120 微控制器組成監視電話(huà)線(xiàn)上所有通話(huà)的裝置(見(jiàn)圖2)。

 
　　圖2. 電話(huà)管理器監視呼出號碼、來(lái)電振鈴、主叫ID 以及摘機事件，確定呼出號碼、主叫號碼以及通話(huà)時(shí)間。

　　細節: 電話(huà)管理器必須監視四種情況：電話(huà)線(xiàn)的掛機/摘機狀態(tài)、來(lái)電振鈴、呼叫號碼和主叫ID 信息。其中最簡(jiǎn)單的是摘機信號的監視，因為摘機時(shí)，線(xiàn)電壓從48V ( 掛機狀態(tài))變?yōu)?2V 以下(摘機狀態(tài))，電壓檢測器很容易檢測這種變化并通知MAXQ3120 微控制器。

　　來(lái)電振鈴由電話(huà)公司在電話(huà)線(xiàn)上加載的高壓交流信號產(chǎn)生。該信號經(jīng)過(guò)電容耦合和光電隔離器后向處理器發(fā)出告警，同時(shí)保持與電話(huà)線(xiàn)的隔離。通常，與0.47µF 電容和4.7k

　　電阻串聯(lián)的雙向光耦合器能夠可靠地檢測到該信號。為避免誤動(dòng)作，可采用一對背靠背的齊納二極管，只有當電壓超過(guò)擊穿電壓時(shí)才允許電流流入光隔離器。

　　呼叫號碼的接收稍復雜一些，因為有兩種向電話(huà)公司發(fā)送號碼的方法：脈沖撥號和音頻撥號。脈沖撥號方法根據撥打的數字在每秒鐘內產(chǎn)生10 個(gè)電流脈沖。為了檢測脈沖撥號，只需檢測電話(huà)線(xiàn)上由低到高的電壓跳變的時(shí)間，如果以每秒10 次的速率出現一串跳變，無(wú)疑這就是脈沖式撥號。

　　但是，脈沖撥號電話(huà)機越來(lái)越少，目前流行的是雙音多頻(DTMF) 撥號方法。在該方法中，電話(huà)上的數字鍵被排成三列四行，見(jiàn)圖3。按下一個(gè)數字鍵，會(huì )產(chǎn)生一個(gè)與行對應的音和一個(gè)與列對應的音。通過(guò)檢測并解譯音調的組合情況，MAXQ3120 就可確定撥出的號碼。

 
　　圖3. 雙音多頻(DTMF)撥號方案為鍵盤(pán)上的每個(gè)鍵安排了一個(gè)行音和一個(gè)列音。注意，最右邊一列(A、B、C 和D 鍵)僅用在局端設備上，客戶(hù)端沒(méi)有。

　　Goertzel 算法是一種適合于CPU 實(shí)現的高效音頻信號檢測方法。它是一個(gè)雙極點(diǎn)濾波器，可以在噪聲信道中清晰地檢測出音頻信號。在MAXQ 微控制器上實(shí)現該算法的程序已經(jīng)通過(guò)了測試。

　　利用主叫ID 服務(wù)確定主叫者的電話(huà)號碼很容易。這項服務(wù)的訂戶(hù)可在第1 和第2 聲振鈴之間收到一個(gè)1200bps 的信號，其中包含主叫號碼、主叫者的名稱(chēng)以及時(shí)間和日期等。

　　在美國，電話(huà)局采用Bell 202 調制解調器標準傳送主叫ID。歐洲所采用的標準是ITU V.32 模式2 (1300Hz 傳號和2100Hz 空號)。兩種標準的數據傳送速率都為1200bps 。很容易在一個(gè)應用中同時(shí)支持這兩種標準，但這里僅討論美國使用的標準。在該標準中，“0”位用2200Hz 音頻表示，“1”位用1200Hz 音頻表示。MAXQ3120 可容易地檢測到過(guò)零點(diǎn)，并由此確定輸入信號頻率和它所代表的數據位。數據格式很簡(jiǎn)單，為串行異步N81 格式(無(wú)奇偶校驗位，8 位數據，1 位停止位)。

　　檢測到位值后還要解析消息的格式。有兩種主叫ID 格式。第一種僅包含主叫號碼和日期及時(shí)間。如下所示：

 
　　如果用戶(hù)只訂了“僅號碼”主叫ID 業(yè)務(wù)，就用這種格式為他們傳送主叫ID。注意，除了類(lèi)型、長(cháng)度和校驗和外，其他字符以ASCII 碼傳送。如果沒(méi)有主叫號碼，就用字母“O”代之。如果主叫號碼應呼叫者的要求禁止傳送，則用字母“P”代替電話(huà)號碼。校驗和為此信息中前面諸字節以256 為模的和，為2 的補碼格式。

　　如果用戶(hù)訂購了“姓名和號碼”主叫ID 服務(wù)，就會(huì )收到如下所示的信息：

其中，TYPE 總為0x80，LENGTH 為所有數據塊的長(cháng)度。數據塊的格式為：

 
其中，BLOCK TYPE 表示傳送數據的類(lèi)型，其值根據下表選擇：

 
　　一旦有關(guān)某次通話(huà)的數據搜集齊后便可存儲在I2C* EEPROM 中。這類(lèi)器件廉價(jià)、可靠，并且可以提供多種存儲容量。一個(gè)16kb 的EEPROM 能夠存儲100 條姓名-號碼格式的主叫ID 記錄。在MAXQ 系列處理器上用軟件實(shí)現I2C 通信的代碼也有提供。

　　還需要做什么？還可以考慮對該系統的功能進(jìn)行一些強化。盡管上面所討論的方案可以監視所有在線(xiàn)的電話(huà)，但它還是無(wú)法告訴你是哪部電話(huà)發(fā)出或應答呼叫。為了做到這一點(diǎn)，每部電話(huà)機上需要安裝一個(gè)無(wú)需任何用戶(hù)界面的監視裝置。MAXQ3120 可以通過(guò)電流傳感器確定電話(huà)機何時(shí)被摘機，并通知位于中央的電話(huà)管理器。為完成這種通信任務(wù)，話(huà)機中的微控制器可以發(fā)送DTMF 數字信號，用來(lái)識別呼出或應答話(huà)機。在掛機狀態(tài)，電話(huà)公司對這些信號“視而不見(jiàn)”，因此，戶(hù)內電話(huà)線(xiàn)就為這些數字信號提供了理想的信道。

　　另一方面的強化是自動(dòng)登錄到一臺計算機。MAXQ3120 微控制器具有UART 通道，可以和PC 的串口連接，這樣就可將電話(huà)管理器徹底轉變?yōu)橐粋€(gè)小巧的電話(huà)計費系統。如果再把這種計費系統和前面介紹的語(yǔ)音記錄系統結合起來(lái)，你就擁有了一個(gè)非常完善的應答機或電話(huà)記錄器。

電力監視裝置

　　概念: 電費為什么這么高？這是電力公司經(jīng)常聽(tīng)到的抱怨。其中，與燃料價(jià)格無(wú)關(guān)的部分原因是越來(lái)越多的電器始終處于耗電狀態(tài)。

　　不要抱怨電冰箱，因為它的電源是間歇開(kāi)關(guān)的，只有當電冰箱的內部溫度高于限定值時(shí)電源才被接通。實(shí)際上，耗電的設備到處都是。想一想多媒體設備中發(fā)出亮光的指示燈，告訴你它已被關(guān)閉，等待你的遙控命令來(lái)打開(kāi)它。過(guò)去，“關(guān)掉”開(kāi)關(guān)就意味著(zhù)該設備不再有任何形式的工作。但在今天，關(guān)掉電視機只是使其處于等待模式，許多電路仍在耗電。事實(shí)上，現在已經(jīng)很難找到真正切斷電源的電器。

　　微機也是隱蔽耗電的設備。在當今的網(wǎng)上時(shí)代，人們離開(kāi)時(shí)還讓微機下載文件、收取郵件等等。它要花多少電費？

　　在此最后一部分，MAXQ3120 回歸其本源，但角色轉變?yōu)橛秒娬?，而不再是供電者。圖4 示出了本應用的框圖。

 
圖4. 用電監視裝置能夠確定某電器何時(shí)用了多少電。它還可以報告會(huì )損壞敏感設備的電壓浪涌和掉電故障。

　　細節: MAXQ3120 專(zhuān)為支持電表應用而設計。它的兩個(gè)ADC 分別設計用于監視電壓通道和電流通道。在本項目中，MAXQ3120 連續監視進(jìn)入某設備的電壓和電流。然后，它可以報告該設備的平均功率，用電高峰出現的次數和幅度，以及，如果需要的話(huà)還可提供該設備的功率因數。

　　如何報告呢？最簡(jiǎn)單、直接的方法是在監視裝置上采用一個(gè)小巧的LCD ?？梢允褂靡粋€(gè)或多個(gè)按鈕控制MAXQ3120 在多種顯示模式間切換(電壓均方根、電流均方根、功率、度數等等)。LCD 價(jià)格極其低廉，用來(lái)監視單個(gè)設備時(shí)，可做的非常緊湊、易用。

　　如果要監視多個(gè)設備，可以建一個(gè)中心站來(lái)記錄來(lái)自各從站的數據。該項目的難點(diǎn)在于通常的供電電路用于數據傳送介質(zhì)時(shí)質(zhì)量太差。用廉價(jià)的模塊無(wú)法實(shí)現理想的數據傳輸速率。

　　但是，可以用廉價(jià)的模塊實(shí)現不太理想的數據傳輸速率。MAXQ3120 的ADC 僅有20,000 次/秒的采樣速率，這種速率無(wú)法解調100kHz 范圍內的載波(這個(gè)頻段被普遍用于電力線(xiàn)控制系統)，但是它們可以解調音頻范圍的載波。如果數據傳送速率足夠慢，比如約10bps ，可以實(shí)現非?？煽康耐ㄐ?。

　　這樣除了監視電力外，MAXQ3120 的DSP 功能還要完成另外兩項工作：監視來(lái)自?xún)蓚€(gè)窄帶的信號功率，并嘗試從中檢測出低速頻移鍵控(FSK)信號；如果接到請求，還要為主站發(fā)送3kHz 至7kHz 的FSK 信號。

　　主站可以是單獨的裝置，也可以通過(guò)微機的串口與其連接。后一種方案更具有吸引力，因為微機的存儲量足夠大，且能夠完成比微控制器更復雜的任務(wù)。

　　還需要做什么？還需要做什么？不多?？缮暾埻暾碾姳韰⒖荚O計(ZIP, 76KB)，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單修改后可用于此項目。關(guān)于電力線(xiàn)通信，用于信號產(chǎn)生和帶通濾波的MAXQ3120 代碼也可找到。因此，只需將這些部件整合在一起便可輕松構建一個(gè)低數據速率FSK 調制解調器。簡(jiǎn)言之，通過(guò)簡(jiǎn)單地整合現有的硬件和軟件元素，就可組成一個(gè)可工作的產(chǎn)品。

結論

　　通過(guò)這些應用實(shí)例我們可以看到，除了作為多功能電表的核心外，MAXQ3120 微控制器還大有可為。強大的功能使這款微控制器在很多應用領(lǐng)域有擴展的機會(huì )，可能是你下一個(gè)混合信號項目的理想方案。