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设计前沿:车载无线射频耳机系统的设计

发布时间:2014-11-05 责任编辑:echolady

【导读】轿车已经逐渐普及,车内时间增加,车内通话随之形成。为了行驶中更加安全,车载蓝牙系统得到发展。对于车载应用来说,车载无线射频耳机的设计被提上了日程。

因为目前市场上的蓝牙手机大部分都不能支持同时连接两个蓝牙免提设备,即手机通过蓝牙免提协议同时连接蓝牙耳机及车载蓝牙设备。因此,对于车载应用的这种特殊场景。车载无线射频耳机系统是一个很好的解决方案。现有的耳机都不能和音响互动,尤其是行车时既听音响又用耳机接电话,对行车安全更加不利。在使用车载蓝牙免提电话进行通话的过程中,在射频耳机离开机座后,通话的语音即转移到耳机上,车内扬声器不再发声。当通话结束后,可使用方向盘按键或车载电话操作界面挂断电话。但在将耳机放回机座之前。车辆的音频还会从耳机输出。当用户放回耳机后。音频恢复从原有扬声器上输出。

一、射频技术详解

文中介绍的车载无线射频耳机系统,使用了无线射频技术,在介绍该方案之前,先将文中涉及的无线射频技术做个说明。

射频(Radio Frequency,RF),表示可以辐射到空间的电磁频率,频率范围在300 kHz~30 GHz之间。射频其实质就是射频电流,它是一种高频交流变化电磁波的简称。每秒变化小于l000次的交流电称为低频电流,大于10000次的称为高频电流,而射频就是这样一种高频电流。射频技术作为新一代短距离无线数据通信技术,具有体积小、功耗低、性能稳定、抗干扰能力强等优点。并且适合组成小型的通信局域网,因而在工业、民用领域得到了广泛的应用与研究。

近些年来。无线通信技术大踏步发展的同时,大规模集成电路、数字技术以及电路系统的制作工艺和水平也在日趋成熟。这就使得无线通信系统的大部分功能都可以集成到一小块芯片的内部。以短距离无线通信系统为例。只需要使用短距离无线射频收发芯片。再配上具有控制功能的微控制器和少量的外围器件即可构成具有无线传输功能的通信模块。
在这种小型系统中,电容、电感、晶体振荡器等器件都已经集成在芯片内部,具有很好的通用性,并且其抗干扰能力较强。不易受到环境变化的影响。射频收发芯片可以采用以FSK调制方式为基础的各种调制方式。一般工作在ISM公用频段,不用进行通信频道的额外申请,操作简单方便。

在通信模块内部,已经含有了一般均会含有的传输数据必须的数据传输协议或用来增强保密性的加密协议,并会尽量使其应用起来简单、透明。发射功率、工作频率等所有工作参数可以通过软件设置完成,这也就降低了用户对无线通信原理和工作机制掌握程度的要求,使得应用过程变得更加容易。总体来说,用户只要依据命令字对具体的控制寄存器进行操作即可实现基本的无线传输功能。

此类型的短距离无线数据通信系统体积小、功耗低、稳定性好、抗干扰能力强,而且开发简单快速,维护保养方便,并且可以嵌入到其他各种设备中.实现设备间的无线连接。完成不同的功能融合。

由于不同公司不同型号的无线收发芯片种类和数量都比较多,因而无线收发芯片的选择在设计中是至关重要的。正确的选择可减小开发难度、缩短开发周期、降低成本、更快地将产品推向市场。选择无线收发芯片时需要考虑以下几点因素:功耗、发射功率、接收灵敏度、收发芯片所需的外围元器件数量、芯片成本等。

该方案采用耵的CC85XX器件系列,它能提供强大的、高品质、短距离的2.4 GHz无线数字音频流的低成本单芯片解决方案。两个或多个设备形成PurePath无线音频网络,通过采取谨慎措施,确保了该音频网络可在不同的环境下提供无间隙和强大的音频流,它可以与现有的无线技术。在拥挤的2.4 GHzISM频段友好共存。

只需要将CC85XX连接到外部音频源或信宿(例如:音频编解码器,S/PDIF接口或D类放大器)和几个按钮,开关或LED用于人机交互,不做任何软件开发即可以实现大多数应用。外部音频设备的控制是I2C或以G10为基础。包含本地或远程音量控制。先进的应用可以直接连接主机处理器或DSP与CC85XX及流音频,同时也能控制设备及音频网络运营的各个方面口。
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二、方案设计

该车载无线射频耳机系统与车载收音机相连,截断收音机至前门的两路音频输出(因为电话语音输出只占用这两路),在内部通过开关对音频输出方向进行控制。车载无线射频耳机系统会连接射频天线,实现通过射频信号传输音频的功能。具体参见图1系统架构图。

设计前沿:车载无线射频耳机系统的设计
图1:系统架构图
 
车载无线射频耳机系统内部集成了MCU、功率放大模块、电路选择开关、信号转换器、射频信号发生器、射频耳机、射频发射天线和耳机机座。各模块的各项指标设计要求均满足车规要求。

初始状态下,射频耳机已经与射频模块完成配对过程。同时,为便于维修更换,射频耳机和射频模块都支持重新配对功能。射频模块可以发送音频信号至耳机,也可以从耳机接收射频通信连接和断开(即耳机取出和放回的状态)信号,车载无线射频耳机系统可利用此信号控制输出音频的去向。车载无线射频耳机系统的音频输入来自收音机,音频可以被输出至原有扬声器或者通过射频天线以无线形式发送。输出切换控制通过电路选择开关实现,切换时间少于l00 ms。该系统可确保前后扬声器音频输出的同步,同时不产生Pop音。在系统工作时,可保证收音机不会检测到扬声器断路而产生DTC。

电源管理方面,当系统休眠时,其功耗处于较低水平,仅需监控收音机的功耗变化,其他模块都不工作,直至下一次系统启动才可进入工作状态。当车载无线射频耳机系统检测到收音机打开时,系统在5 s后进入工作状态。当系统启动后,会自动进行一次开机诊断,根据耳机状态调整开关位置。当收音机进入休眠状态时,系统在5 s后进入休眠状态,电路选择开关切换至扬声器,且该连接不受系统工作状态影响。在休眠状态,车载无线射频耳机系统仅需检测收音机功耗,作为系统启动的判定条件。具体设计参见图2。

设计前沿:车载无线射频耳机系统的设计
图2:电源管理流程图
 
对于射频耳机设计方面,系统工作时,若耳机在机座内,音频信号应输出至扬声器;若耳机不在机座内,音频信号应输出至射频天线。耳机机座有充电功能,在Kl.15打开且耳机在机座中时。机座可以对耳机进行充电。
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耳机音量可通过收音机上的音量旋钮调整。耳机上不设其他按键,但预留了隐藏触点用来进行更换配对。耳机上带有指示灯,闪烁表示正在充电,常亮表示电池已满,常灭表示不再充电。射频信号发射器与射频耳机进行传输具有完善的加密机制,保证了传输数据的安全。

该系统的电源设计要求,参见表1。
设计前沿:车载无线射频耳机系统的设计
 
对于该系统的音频切换模块和射频耳机机座的插座设计,参见图3的PIN脚定义。在实车上的具体布置位置需要根据不同车型进行设计,原则是便于用户操作,提高用户的使用体验。

设计前沿:车载无线射频耳机系统的设计
图3:PIN脚定义
 
结语

本文设计的车载无线射频耳机系统是根据车载应用环境及车主行车方便安全提出的方案。实验结果表明,方案设计完全符合性能指标。

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