工程師詳解：一種車載無線射頻耳機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 全文

　　隨著家用轎車的普及，人們在車內(nèi)的時(shí)間明顯增加，車內(nèi)通話不可避免。為了行車安全，藍(lán)牙免提通話是一個(gè)很好的解決方案，車載藍(lán)牙系統(tǒng)因此得到了長足的發(fā)展。但考慮到用戶隱私要求。有時(shí)私密通話還是需要的。對于一些經(jīng)常開車但又偏愛耳機(jī)的用戶，藍(lán)牙耳機(jī)并不是一個(gè)完美的解決方案。因?yàn)槟壳笆袌錾系乃{(lán)牙手機(jī)大部分都不能支持同時(shí)連接兩個(gè)藍(lán)牙免提設(shè)備，即手機(jī)通過藍(lán)牙免提協(xié)議同時(shí)連接藍(lán)牙耳機(jī)及車載藍(lán)牙設(shè)備。

　　因此，對于車載應(yīng)用的這種特殊場景。車載無線射頻耳機(jī)系統(tǒng)是一個(gè)很好的解決方案?，F(xiàn)有的耳機(jī)都不能和音響互動，尤其是行車時(shí)既聽音響又用耳機(jī)接電話，對行車安全更加不利。在使用車載藍(lán)牙免提電話進(jìn)行通話的過程中，在射頻耳機(jī)離開機(jī)座后，通話的語音即轉(zhuǎn)移到耳機(jī)上，車內(nèi)揚(yáng)聲器不再發(fā)聲。當(dāng)通話結(jié)束后，可使用方向盤按鍵或車載電話操作界面掛斷電話。但在將耳機(jī)放回機(jī)座之前。車輛的音頻還會從耳機(jī)輸出。當(dāng)用戶放回耳機(jī)后。音頻恢復(fù)從原有揚(yáng)聲器上輸出。

　　文中將詳細(xì)討論該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、功能特點(diǎn)。

　　1射頻技術(shù)

　　文中介紹的車載無線射頻耳機(jī)系統(tǒng)，使用了無線射頻技術(shù)，在介紹該方案之前，先將文中涉及的無線射頻技術(shù)做個(gè)說明。

　　射頻（RadioFrequency，RF），表示可以輻射到空間的電磁頻率，頻率范圍在300kHz~30GHz之間。射頻其實(shí)質(zhì)就是射頻電流，它是一種高頻交流變化電磁波的簡稱。每秒變化小于l000次的交流電稱為低頻電流，大于10000次的稱為高頻電流，而射頻就是這樣一種高頻電流。射頻技術(shù)作為新一代短距離無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，具有體積小、功耗低、性能穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。并且適合組成小型的通信局域網(wǎng)，因而在工業(yè)、民用領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用與研究。

　　近些年來。無線通信技術(shù)大踏步發(fā)展的同時(shí)，大規(guī)模集成電路、數(shù)字技術(shù)以及電路系統(tǒng)的制作工藝和水平也在日趨成熟。這就使得無線通信系統(tǒng)的大部分功能都可以集成到一小塊芯片的內(nèi)部。以短距離無線通信系統(tǒng)為例。只需要使用短距離無線射頻收發(fā)芯片。再配上具有控制功能的微控制器和少量的外圍器件即可構(gòu)成具有無線傳輸功能的通信模塊。

　　在這種小型系統(tǒng)中，電容、電感、晶體振蕩器等器件都已經(jīng)集成在芯片內(nèi)部，具有很好的通用性，并且其抗干擾能力較強(qiáng)。不易受到環(huán)境變化的影響。射頻收發(fā)芯片可以采用以FSK調(diào)制方式為基礎(chǔ)的各種調(diào)制方式。一般工作在ISM公用頻段，不用進(jìn)行通信頻道的額外申請，操作簡單方便。

　　在通信模塊內(nèi)部，已經(jīng)含有了一般均會含有的傳輸數(shù)據(jù)必須的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議或用來增強(qiáng)保密性的加密協(xié)議，并會盡量使其應(yīng)用起來簡單、透明。發(fā)射功率、工作頻率等所有工作參數(shù)可以通過軟件設(shè)置完成，這也就降低了用戶對無線通信原理和工作機(jī)制掌握程度的要求，使得應(yīng)用過程變得更加容易?？傮w來說，用戶只要依據(jù)命令字對具體的控制寄存器進(jìn)行操作即可實(shí)現(xiàn)基本的無線傳輸功能。

　　此類型的短距離無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng)，而且開發(fā)簡單快速，維護(hù)保養(yǎng)方便，并且可以嵌入到其他各種設(shè)備中．實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的無線連接。完成不同的功能融合。

　　由于不同公司不同型號的無線收發(fā)芯片種類和數(shù)量都比較多，因而無線收發(fā)芯片的選擇在設(shè)計(jì)中是至關(guān)重要的。正確的選擇可減小開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期、降低成本、更快地將產(chǎn)品推向市場。選擇無線收發(fā)芯片時(shí)需要考慮以下幾點(diǎn)因素：功耗、發(fā)射功率、接收靈敏度、收發(fā)芯片所需的外圍元器件數(shù)量、芯片成本等。

　　該方案采用耵的CC85XX器件系列，它能提供強(qiáng)大的、高品質(zhì)、短距離的2．4GHz無線數(shù)字音頻流的低成本單芯片解決方案。兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備形成 PurePath無線音頻網(wǎng)絡(luò)，通過采取謹(jǐn)慎措施，確保了該音頻網(wǎng)絡(luò)可在不同的環(huán)境下提供無間隙和強(qiáng)大的音頻流，它可以與現(xiàn)有的無線技術(shù)。在擁擠的 2．4GHzISM頻段友好共存。

　　只需要將CC85XX連接到外部音頻源或信宿（例如：音頻編解碼器，S/PDIF接口或D類放大器） 和幾個(gè)按鈕，開關(guān)或LED用于人機(jī)交互，不做任何軟件開發(fā)即可以實(shí)現(xiàn)大多數(shù)應(yīng)用。外部音頻設(shè)備的控制是I2C或以G10為基礎(chǔ)。包含本地或遠(yuǎn)程音量控制。先進(jìn)的應(yīng)用可以直接連接主機(jī)處理器或DSP與CC85XX及流音頻，同時(shí)也能控制設(shè)備及音頻網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的各個(gè)方面口。

　　2具體方案

　　該車載無線射頻耳機(jī)系統(tǒng)與車載收音機(jī)相連，截?cái)嗍找魴C(jī)至前門的兩路音頻輸出（因?yàn)殡娫捳Z音輸出只占用這兩路），在內(nèi)部通過開關(guān)對音頻輸出方向進(jìn)行控制。車載無線射頻耳機(jī)系統(tǒng)會連接射頻天線，實(shí)現(xiàn)通過射頻信號傳輸音頻的功能。具體參見圖1系統(tǒng)架構(gòu)圖。

　　圖1系統(tǒng)架構(gòu)圖

　　車載無線射頻耳機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部集成了MCU、功率放大模塊、電路選擇開關(guān)、信號轉(zhuǎn)換器、射頻信號發(fā)生器、射頻耳機(jī)、射頻發(fā)射天線和耳機(jī)機(jī)座。各模塊的各項(xiàng)指標(biāo)設(shè)計(jì)要求均滿足車規(guī)要求。

　　初始狀態(tài)下，射頻耳機(jī)已經(jīng)與射頻模塊完成配對過程。同時(shí)，為便于維修更換，射頻耳機(jī)和射頻模塊都支持重新配對功能。射頻模塊可以發(fā)送音頻信號至耳機(jī)，也可以從耳機(jī)接收射頻通信連接和斷開（即耳機(jī)取出和放回的狀態(tài)）信號，車載無線射頻耳機(jī)系統(tǒng)可利用此信號控制輸出音頻的去向。車載無線射頻耳機(jī)系統(tǒng)的音頻輸入來自收音機(jī)，音頻可以被輸出至原有揚(yáng)聲器或者通過射頻天線以無線形式發(fā)送。輸出切換控制通過電路選擇開關(guān)實(shí)現(xiàn)，切換時(shí)間少于l00 ms。該系統(tǒng)可確保前后揚(yáng)聲器音頻輸出的同步，同時(shí)不產(chǎn)生Pop音。在系統(tǒng)工作時(shí)，可保證收音機(jī)不會檢測到揚(yáng)聲器斷路而產(chǎn)生DTC。

　　電源管理方面，當(dāng)系統(tǒng)休眠時(shí)，其功耗處于較低水平，僅需監(jiān)控收音機(jī)的功耗變化，其他模塊都不工作，直至下一次系統(tǒng)啟動才可進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)車載無線射頻耳機(jī)系統(tǒng)檢測到收音機(jī)打開時(shí)，系統(tǒng)在5 s后進(jìn)入工作狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)啟動后，會自動進(jìn)行一次開機(jī)診斷，根據(jù)耳機(jī)狀態(tài)調(diào)整開關(guān)位置。當(dāng)收音機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)在5 s后進(jìn)入休眠狀態(tài)，電路選擇開關(guān)切換至揚(yáng)聲器，且該連接不受系統(tǒng)工作狀態(tài)影響。在休眠狀態(tài)，車載無線射頻耳機(jī)系統(tǒng)僅需檢測收音機(jī)功耗，作為系統(tǒng)啟動的判定條件。具體設(shè)計(jì)參見圖2。

　　圖2 電源管理流程圖

　　對于射頻耳機(jī)設(shè)計(jì)方面，系統(tǒng)工作時(shí)，若耳機(jī)在機(jī)座內(nèi)，音頻信號應(yīng)輸出至揚(yáng)聲器；若耳機(jī)不在機(jī)座內(nèi)，音頻信號應(yīng)輸出至射頻天線。耳機(jī)機(jī)座有充電功能，在Kl.15打開且耳機(jī)在機(jī)座中時(shí)。機(jī)座可以對耳機(jī)進(jìn)行充電。

　　耳機(jī)音量可通過收音機(jī)上的音量旋鈕調(diào)整。耳機(jī)上不設(shè)其他按鍵，但預(yù)留了隱藏觸點(diǎn)用來進(jìn)行更換配對。耳機(jī)上帶有指示燈，閃爍表示正在充電，常亮表示電池已滿，常滅表示不再充電。射頻信號發(fā)射器與射頻耳機(jī)進(jìn)行傳輸具有完善的加密機(jī)制，保證了傳輸數(shù)據(jù)的安全。

　　該系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)要求，參見表1。

　　表1 電源設(shè)計(jì)要求

　　對于該系統(tǒng)的音頻切換模塊和射頻耳機(jī)機(jī)座的插座設(shè)計(jì)，參見圖3的PIN腳定義。在實(shí)車上的具體布置位置需要根據(jù)不同車型進(jìn)行設(shè)計(jì)，原則是便于用戶操作，提高用戶的使用體驗(yàn)。

　　圖3 PIN腳定義

　　3 結(jié)束語

　　文中介紹的車載無線射頻耳機(jī)系統(tǒng)。是針對車載應(yīng)用環(huán)境為車主提供的一種便利的電話接聽方案。從具體使用結(jié)果看，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)指標(biāo)及實(shí)驗(yàn)均合格。文中的設(shè)計(jì)方案及思路，對于其他汽車電器的設(shè)計(jì)同樣具有借鑒意義。