29 - UHF数字对讲开发板

wenleileilei · 发表于 2019-12-21 18:09:52

本帖最后由 wenleileilei 于 2020-1-6 08:40 编辑

一、项目名称：

UHF数字对讲开发板

二、项目概述：

一款用来做语音传输项目软件设计的开发板，能够进行长距离数字对讲，mesh组网，和FM对讲机通联，可以外加蓝牙模块连接电脑实现数字视频传输，如果觉得性能不够，基本框架不变，各个芯片可以升级替换成更先进型号。主要器件有SX1278，STM32F405，WM8974。

三、设计方案：

3.1 硬件系统设计

电路分成电源区，音频区，CPU区，射频区。

图2 电源原理图

电源部分整合了3.7V锂电池充电电路、5V升压电路、3.3V低压差LDO电路，压差低至0.1V。充电电源可接USB或者电源口。5V用来供给音频功放以及外部配件的电源需求。

图 3 音频原理图

音频部分使用了WM8974单声道CODEC芯片，通过I2S和F405实现数据通信，其中麦克风的双端输入拆成了2个单端使用，其中一端连接AT1846S，专用的耳机输出端口monout也用来连接AT1846S。8974的音频 BTL 输出也是双端，因此可以设计为双端接喇叭，单端接耳机，通过耳机插孔开关切换。WM8974 内部切换开关众多，通过适当配置，形成了话音交换的功能。

图4 射频原理图

本模块因为集成了AT1846S，所以可以兼容传统的模拟调频对讲机，只需要使用AT1846S的 I2C 和音频输入输出口即可实现基本功能。AT1846S 的最大输出只有 7dBm，完全驱动 RD02 需要 25dBm,所以增加了2SC3356和2SK3078A 做级联推动。功放的输入端偏置使用了PMOS管，这样能够方便的开关电流，并且3.3V也比较稳。之前版本的简化电路直接从CPU上引出偏置电压，压降的就很厉害，导致模块的差异化严重。

无线收发芯片Si4463和 AT1846S 通过射频开关 PE4259共用PA和LNA。末端因为功率较大，使用了PIN二极管做为PA和LNA切换开关。因为电路板面积较小，PA的输出没有加入额外的由空心线圈组成的带通滤波，只在LNA输入端做了一个由多个π组成的滤波网络。PA偏置电压使用3.3V经电阻分压形成。PA的输出使用较长的微带线加电容匹配。LNA有1级，使用低噪声管BFP740ESD，仿真噪声约在0.6，增益20dBi，之前设计有2级LNA，发现改善效果不明显，所以取消了，因为LNA电路前级的低噪声相对于增益更为重要。

图5 CPU单元

STM32F405 使用了 1 个 I2C 和 3 个 SPI，USB和UART 引出。模拟电源VDDA 必须连接3.3V，且做了低通滤波。ADC连接输入电压3.7V，作为检测电池电量的备用。32.768KHz 时钟备用，BAT 脚可以外接 3.3V纽扣电池。有些IO是复用的，需要通过焊接 0 Ω电阻切换。3.3V线路加上了稳压管做适当保护，W25Q64用来保存模块的参数设置，录音及其它数据保存。

3.2 电路板设计

使用 Altium Designer 画图，为了整个电路板各个功能分区能够协调一致的工作，器件布局，走线安排，PCB分层安排非常重要。PCB分4层，顶层信号，2层地，3层电源，4层信号，采用介电常数 4.6 的 FR-4 材质 4 层板，板厚1.6mm，顶层铜厚 35μm，顶层下面的电介质层 0.2mm，左边接收信号线宽设置为 0.3mm,线距0.15mm，这样线路的阻抗大约就是 50Ω。中间功放的信号线加宽，既可以降低电阻值减少发热又可以形成沿线等效电容减少额外电容的焊接。为了方便焊接调试，器件全部摆正面，器件间的信号连线尽量通过过孔转到底层连接，这样，器件就可以较紧密的摆放，不会与走线冲突。阻容器件尽量排齐，这样既美观，也方便排查问题。芯片引脚焊盘在标准库基础上加长以方便手工焊接。功放底部大面积通孔散热，底部开锡窗散热，边缘可以焊铜质接散热片。时钟线因为电磁干扰严重，应远离数据线，且由地层包裹。晶振线路正下方紧邻层不可有重叠或交叉的信号线，会引入相位噪声，通孔不要离线路太近，通孔电流也会产生干扰。射频线拐角采用圆弧过渡，或者通过电容电感转折，就不容易产生额外的阻抗突变。

四、作品实物图

实际运行效果：

实测普通2dBi天线通话距离超过1千米，如下图所示