藍(lán)牙語音遙控器的硬件設(shè)計(jì)與調(diào)試

摘要：智能家居技術(shù)的發(fā)展和普及，遙控器作為智能家居控制的中樞系統(tǒng)，使用頻率越來越高。同時(shí)隨著人工語音輸入的發(fā)展，傳統(tǒng)的紅外遙控器由于傳輸速率不高、傳輸距離短等技術(shù)局限性，無法被廣泛用于智能家居控制中需要高帶寬傳輸?shù)膱鼍?。藍(lán)牙是一種適用于短距離傳輸?shù)臒o線技術(shù)。基于此，本文設(shè)計(jì)出一種在遙控器中嵌入藍(lán)牙技術(shù)，將藍(lán)牙模塊與單片機(jī)相結(jié)合，通過無線藍(lán)牙通信實(shí)現(xiàn)對(duì)家居電器控制的遙控器。

關(guān)鍵詞：藍(lán)牙；遙控器；硬件設(shè)計(jì)

一、 引言

隨著社會(huì)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們工作與生活的方方面面和通訊技術(shù)、信息技術(shù)的聯(lián)系越來越緊密。科學(xué)技術(shù)在影響人們生活方式和工作習(xí)慣的同時(shí)，也使人們的觀念發(fā)生了變化。人們對(duì)自己居住房屋的要求早已不局限于房屋建筑面積的大小，更加關(guān)心的是能否得到一個(gè)方便、安全、舒適的居家環(huán)境。藍(lán)牙（Bluetooth）作為一種適用于短距離傳輸?shù)臒o線傳輸技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)（使用2.4～2.485GHz的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療用波段的短距離無線電波），可以很方便地實(shí)現(xiàn)移動(dòng)設(shè)備、固定設(shè)備和個(gè)人與建筑物局域網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)交換。由于藍(lán)牙技術(shù)的低功耗、低成本、高可靠性、高速率和兼容性等特點(diǎn)，使得其在智能家居控制中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

二、 遙控器總體方案設(shè)計(jì)

在智能家居控制應(yīng)用系統(tǒng)中，以德州儀器公司生產(chǎn)的單片機(jī)作為整個(gè)遙控系統(tǒng)的信息處理以及控制中心，鍵盤掃描矩陣讀取并解碼用戶的鍵盤輸入，并經(jīng)過單片機(jī)信號(hào)分析處理后通過藍(lán)牙主從模塊控制相關(guān)電器并顯示。整個(gè)設(shè)計(jì)簡明，且易于實(shí)現(xiàn)。因?yàn)橹恍枰獙?shí)現(xiàn)簡單的鍵盤輸入和信號(hào)處理，考慮經(jīng)濟(jì)性，我們不使用專門的遙控芯片，僅使用51芯片系列即可滿足要求，藍(lán)牙模塊則是整個(gè)遙控器價(jià)格的重心，市場上開發(fā)出的藍(lán)牙模塊比較具有代表性的有愛立信ROK101007，CSR的bluecore2-E藍(lán)牙模塊，DELTA公司的DFBM-CF121藍(lán)牙芯片等。

藍(lán)牙語音遙控器的設(shè)計(jì)是根據(jù)藍(lán)牙家居遙控器功能的規(guī)劃，選用合適的藍(lán)牙芯片和單片機(jī)芯片，并圍繞所選用的單片機(jī)完成各個(gè)電路模塊控制的過程。總體電路通過模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙語音遙控器的功能。整體系統(tǒng)主要包括了主控制器模塊、語音輸入模塊、紅外發(fā)射模塊、按鍵掃描矩陣模塊、電源穩(wěn)壓模塊。

三、 系統(tǒng)主要硬件模塊的設(shè)計(jì)

（一） 主控制器模塊的硬件設(shè)計(jì)

主控模塊包含了本系統(tǒng)的單片機(jī)主控制電路及外圍電路（如圖1所示）。主要包括了32MHz的主控晶振以及32KHz用于低功耗睡眠模式下的晶振、系統(tǒng)內(nèi)512KB可編程閃存以及片上64KB隨機(jī)存儲(chǔ)器，本模塊還包含了多達(dá)30個(gè)可編程輸入輸出端口、藍(lán)牙發(fā)射器以及PDM麥克風(fēng)接口（用于語音輸入）。

本系統(tǒng)的主控制芯片選用德州儀器的CC2640芯片，這是一款無線微控制器（MCU），主要適用于藍(lán)牙低功耗的應(yīng)用。這款芯片屬于SimpleLinkTMCC26xx系列，具有經(jīng)濟(jì)、高效和超低功耗，主頻2.4GHz。此微控制器的設(shè)計(jì)是基于強(qiáng)大的ARMCortex-M3，它具有高達(dá)48MHz的時(shí)鐘頻率和512KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash。

（二） 語音輸入模塊的硬件設(shè)計(jì)

語音輸入作為藍(lán)牙語音遙控器的重要特性，對(duì)于設(shè)計(jì)指標(biāo)有著非常高的要求，下表展示了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)于語音參數(shù)的規(guī)范要求，以及和安卓7.1語音識(shí)別規(guī)范的比較。

在語音輸入模塊（如圖2所示）中，本設(shè)計(jì)采用樓氏的硅麥克風(fēng)芯片SPK0415HM4H-B。該麥克風(fēng)采用適合高度制造再現(xiàn)性和穩(wěn)定（可預(yù)測）聲學(xué)性能的硅結(jié)構(gòu)，“自由浮動(dòng)”振動(dòng)膜不受傳統(tǒng)駐極體電容麥克風(fēng)振動(dòng)膜機(jī)械張力變化引起麥克風(fēng)靈敏度偏移的影響，優(yōu)異的RFI和EMI抑制，絕佳的額定工作溫度和存儲(chǔ)溫度：負(fù)四十?dāng)z氏度到一百攝氏度，非常適用于高性能語音輸入的應(yīng)用場景。

（三） 紅外發(fā)射模塊的硬件設(shè)計(jì)

紅外光是電磁波的一種，其波長長于可見光而短于微波，是一種人的肉眼無法看到的光線。通常將電磁波中波長0.76～1000μm的波譜段稱為紅外光譜區(qū)。一般把紅外光波譜細(xì)分為四個(gè)區(qū)域，即近紅外（0.76～3.0μm）、中紅外（3.0～6.0μm）、中遠(yuǎn)紅外（6.0～20μm）和遠(yuǎn)紅外（20～1000μm）區(qū)。這里說的“近”和“遠(yuǎn)”是根據(jù)紅外光在電磁波譜中與可見光的距離而言。我們實(shí)際的紅外遙控系統(tǒng)中所使用的紅外光主要集中在0.76～1.6μm的近紅外區(qū)。紅外線的波長比微波短，更適合用于短距離控制系統(tǒng)中。

近紅外光可以通過紅外光發(fā)光二極管（LED）獲得。紅外光發(fā)光二極管是一種由對(duì)紅外輻射敏感的材料（通常選用砷化鎵）來制作成PN結(jié)，注入電流以此來激發(fā)紅外光的發(fā)光器件，再加上合適的正向偏置電壓后，就可以發(fā)出一定波長的近紅外光。本系統(tǒng)采用的紅外發(fā)射模塊如圖3所示。

（四） 按鍵掃描矩陣模塊的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用5×5鍵盤掃描矩陣電路（如圖4所示）用于用戶按鍵輸入，電路具體的實(shí)現(xiàn)方法是：將所有的列線I/O口線均置成低電平，然后將行線電平狀態(tài)讀入到單片機(jī)中，如果有鍵按下，就會(huì)有一根行線電平被拉至低電平，根據(jù)此原理就可以檢測到是哪個(gè)鍵被按下。

（五） 電源穩(wěn)壓模塊的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為確保遙控器所安裝電池的穩(wěn)定性，在電池彈簧附近增加了一對(duì)反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管進(jìn)行穩(wěn)壓，同時(shí)針對(duì)靜電放電現(xiàn)象，設(shè)置了一個(gè)100微法的電解電容進(jìn)行靜電放電保護(hù)，電路原理圖如圖5所示。

四、 系統(tǒng)性能測試

在硬件設(shè)計(jì)中，預(yù)留了測試引腳用于射頻電路和軟件的相關(guān)調(diào)試。對(duì)于藍(lán)牙語音遙控器的系統(tǒng)性能測試，最重要的測試項(xiàng)目是測試麥克風(fēng)輸入的靈敏度、頻率響應(yīng)特性和總諧波失真等性能參數(shù)。同時(shí)為了消除環(huán)境噪聲對(duì)于測試效果的影響，需要在靜音的環(huán)境下，對(duì)麥克風(fēng)輸入標(biāo)準(zhǔn)正弦波掃頻信號(hào)進(jìn)行測試，并分析麥克風(fēng)采集到的語音數(shù)據(jù)。

在本設(shè)計(jì)中，我們采用隔音箱來隔離外界環(huán)境的噪聲。該測試通過標(biāo)準(zhǔn)治具將揚(yáng)聲器輸出的20Hz-20KHz掃頻正弦波信號(hào)加至藍(lán)牙遙控器的麥克風(fēng)進(jìn)音孔，揚(yáng)聲器距麥克風(fēng)距離為50厘米。麥克風(fēng)接收到掃頻信號(hào)后，對(duì)信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理，并轉(zhuǎn)化成電信號(hào)輸送至遙控器單片機(jī)主控，通過藍(lán)牙功能傳輸?shù)綔y試電腦進(jìn)行PCM數(shù)據(jù)編解碼處理和為每個(gè)頻率點(diǎn)輸出SPLdB數(shù)值用于數(shù)據(jù)分析。

針對(duì)藍(lán)牙語音遙控器的測試，主要測試項(xiàng)目為麥克風(fēng)靈敏度，以及麥克風(fēng)總諧波失真。在測試中，我們選用5個(gè)藍(lán)牙語音遙控器進(jìn)行測試，分別驗(yàn)證設(shè)計(jì)。并在工廠投入大批量生產(chǎn)后，選擇500個(gè)藍(lán)牙語音遙控器進(jìn)行麥克風(fēng)語音靈敏度測試數(shù)據(jù)搜集，來驗(yàn)證數(shù)據(jù)的一致性和過程能力指數(shù)。

通過測試，我們可以驗(yàn)證到此藍(lán)牙語音遙控器的設(shè)計(jì)符合要求，靈敏度和麥克風(fēng)總諧波失真具有較為一致的掃頻響應(yīng)。通過大批量生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)我們可以看到該設(shè)計(jì)的語音靈敏度符合麥克風(fēng)+/-3dB的規(guī)范，并且具有非常優(yōu)異的生產(chǎn)過程能力，CPK達(dá)到4.95。

五、 總結(jié)

本次設(shè)計(jì)主要是針對(duì)藍(lán)牙家居遙控器進(jìn)行硬件電路方面的研究?？紤]到現(xiàn)有的智能家居系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，結(jié)合藍(lán)牙無線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)出符合系統(tǒng)要求的藍(lán)牙智能家居遙控器，并通過小批量設(shè)計(jì)測試驗(yàn)證和大批量生產(chǎn)性測試驗(yàn)證，證明該藍(lán)牙語音遙控器不僅具有非常良好的設(shè)計(jì)指標(biāo)，同時(shí)具有非常優(yōu)異的生產(chǎn)過程控制能力。

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作者簡介：

吳迪，江蘇省蘇州市，蘇州高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校江蘇蘇州。