声音信标调试

在博文《光变声》中给出了新版的信标硬件的基本原理和实验波形。下面是对实际新版声音+射频信标电路电路板进行调试，并给出具体的规格。

一、原型电路板

1. 实验电路板

新版的信标的外形大小和与原版红外信标中的LED板尺寸是一样的。具有同样的两个8PIN双排插座与底层的控制板相连。因此很容易将原来信标中的LED板替换掉，形成新版信标电路。

新版信标的电路板

2. 新版信号主要功能

信标新版信号主要发送两种导航信号：
第一种：Chirp声音信号
Chirp信号的的规格：

1. 线性调频Chirp信号：
   起始频率： $f_{start} = 250\,\,Hz$
   终止频率： $f_{end} = 2000\,Hz$
2. Chirp信号时长： $T_{chirp} = 0.2048\,\,s$
3. Chirp信号DA转换频率： $F_{chirp} = 10kHz$，DA转换时间： $T_1 = {1 \over {F_{chirp} }} = 10^{ - 4} s$。
4. DA输出为12bit，数据由如下公式生成：

$\theta \left[ n \right] = T_1 \cdot \sum\limits_0^n {{{f_{end} - f_{start} } \over N} \cdot \left( {n + 1} \right) + f_{start} }$

$d\left[ n \right] = {{\sin \left( {2\pi \theta \left[ n \right]} \right) + 1} \over 2} \cdot 0x4FF + 0x100$

焊接QFN封装的MCU过程

参考DAC数据缓冲区初始化程序参加下面子程序：

void InitDACBuffer(float fStartF, float fEndF) {
    float fAngle = 0;
    float fFrequency;
    float fDeltaT = 1.0 / DAC_OUTPUT_FREQUENCY;
    
    int i;
    for(i = 0; i < DAC_BUFFER; i ++) {
        
        g_nDACBuffer[i] = (unsigned short)((sin(fAngle * 2 * 3.1415926) + 1.0) / 2 * 0x4ff)+0x100;
               
        fFrequency = (fEndF - fStartF) * (i + 1) / DAC_BUFFER + fStartF;
        fAngle += fFrequency * fDeltaT;
    }
}

5. 两段Chirp声音间隔为：0.2048s.

第二种：射频信号

调频信号的频率是可以设置的。为了避免与调频电台重叠，待选的两种频率为：85MHz，110MHz。

使用热风枪焊接QFN封装的MCU过程

在帮面调试过程中，射频信号的频率为95.1MHz。

3. 组装后的新版信标硬件

下面是焊接完之后的新版信标，其中主控芯片还是使用的QFN封装的STM32F051K8芯片，射频芯片QN8024，然后再经过一级射频放大，采用9018高频三极管进行射频功率放大。

焊接完毕之后待测试的电路板

驱动扬声器的音频放大器使用的是L2726。在实验中需要对L2726表面增加散热片，以免芯片温度过高。

也可以使用D型功率输出的音频驱动电路，这样便可以提高音频放大效率，不用使用散热片。

安装在底座上并连接扬声器

在信标信号板上，还包括有开关电源，为单片机供电。还有四个指示LED灯，用于指示信标灯的工作状态。

二、测试结果

1. 软件功能：

软件所在的目录：
D:\zhuoqing\window\ARM\IAR\STM32\Application\SmartCar\2020\ChirpBeacon051k\Src\CONTROL.C

新版信标电路中的单片机软件功能非常简单，主要包括：

1. 检测接口电路中原来LED闪烁脉冲信号，来决定是否发送Chirp声音和射频信号；
2. 对QN8027进行初始化，并控制射频信号发送还是停止。
3. 通过DA输出产生Chirp模拟信号，驱动调频QN8027以及L2726音频放大芯片。

就没有其它功能了，所以可以使用任何一个简单的MCU完成功能设计。

工作时状态

下图是将焊接好的信标板安装在原信标灯座上。按动原信标灯的控制盒，触发信标灯发送Chirp声音和调频信号。

安装在基座上的电路板

2. Chirp声音信号：

使用示波器测量信标发送的Chirp音频信号。它是间隔为0.2048秒，长度也是0.2048秒的音频信号。

间歇发送的Chirp信号

将其中Chirp音频信号采集放大开来，它是频率从250Hz线性增加到2000Hz的正弦振荡波形。

Chirp驱动电压信号

Chirp声音经过L2726功率放大之后，施加在扬声器上，发出用于导航的声响。

发声的扬声器

3. 射频信号频率

使用DSA815频谱仪测量信标发送的FM信号。在频谱仪的输入端增加一个普通调频收音机天线，便可以检测到信标发送出的射频频谱。

下图显示了在调试阶段，调频信号的频谱。由于声音信号每隔0.2048秒发送一次，所以可以看到接收到的射频信号的频谱也在不停的变化。

FM频谱

在信标停止发送调频信号时，DSA815接收到的频谱如下图所示。可以看到在本地95.1MHz周围还存在着两个本地调频广播电台的射频信号。

停止发送时的FM频谱

为了避免与当地调频电台频率冲突，实际射频频率将会设置在85MHz，或者110MHz。

三、声音信标检测方法

由于新版信标检测同时提高声音和射频两种导航信号，因此在使用过程中可以采用以下几种组合方案进行车模导航。

1. 方案1：只使用声音信号，采用麦克风阵列完成声音的定位；
2. 方案2：只使用射频信号，采用天线阵列完成声音定位；
3. 方案3：同时采用声音和射频信号。由于射频信号中还调制有同样的Chirp信号，所以单靠一个麦克风便可以获得声源的距离。然后通过车模的移动，反过来获得声源的位置。此时可以采用定向麦克风，通过扫描获得音源的方向，联合距离完成定位。

当然，也可以采用上面多种方案的组合，来获得更快更精确的新标位置。

虽然新版信标上也有发光LED，只是信标的工作状态，它发光的强度低，在外接的光线下，通过普通的摄像头不太容易辨别。

关于新版信号的机械结构，之后在《第十五届智能车竞赛信标规格说明》文档中给出。