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        基于嵌入式的數字對講機設計與實現(xiàn)

        2013-12-23 06:27:20魏洪濤杜彩俠吳細秀
        關鍵詞:對講機電平音頻

        魏洪濤,杜彩俠,吳細秀

        (1.武漢理工大學 信息工程學院,湖北 武漢430070;2.武漢理工大學 自動化學院,湖北 武漢430070)

        隨著電子技術的不斷發(fā)展,數字對講機逐漸取代模擬對講機[1]。無論是性能上還是外觀上,數字對講機都具有明顯的優(yōu)勢。數字對講機是將語音信號轉化為數字信號,再通過數字編碼的方式進行傳播,頻譜利用率和通話質量較高,且保密性良好。另外,對講機不受網絡的限制,完全可以實現(xiàn)真正的應急通信。

        為了將對講機通信系統(tǒng)集成到家用保險艙中,為用戶提供統(tǒng)一的人機操作界面,采用HKT-80 核心模塊,結合三星S3C6410 核心處理器和Qt 集成開發(fā)環(huán)境,設計并實現(xiàn)了一款數字對講機應急通信系統(tǒng)。

        1 硬件設計

        1.1 硬件總體架構

        所設計的對講機系統(tǒng),主要針對保險艙的需求。為了保障在突發(fā)情況下與外界及時有效溝通,應考慮系統(tǒng)通信的時效性、穩(wěn)定性。無論是在硬件還是在軟件設計上,都要基于以上兩點考慮。

        硬件部分由HKT-80 收發(fā)模塊、音頻處理模塊、電平轉換模塊、外部控制器模塊組成。HKT-80 是一款高性能的模塊,內置有高性能的射頻收發(fā)芯片、微控制器以及射頻功放[2-3]。該模塊可以采用外部控制器,通過標準的異步串行口設置模塊的參數,模塊體積小、集成度高、適合集成到智能產品中。音頻處理部分采用TDA2822 芯片,該芯片可以在電源電壓低至1.8 V時仍能正常工作,且交越失真小,靜態(tài)電流低,外圍器件少。電平轉換電路采用MAX232 芯片,該芯片的收發(fā)器將RS232 電平轉化為5 V 的CMOS/TTL 電平,發(fā)送器則把CMOS/TTL 電平轉換為RS232 電平。外部控制器模塊采用三星公司S3C6410 核心處理器,它是一款低功耗、高性能、高性價比的ARM11 微處理器。系統(tǒng)硬件設計總體架構如圖1 所示。

        圖1 系統(tǒng)硬件設計總體架構

        1.2 關鍵模塊設計與實現(xiàn)

        1.2.1 音頻處理模塊

        該部分采用的核心芯片為TDA2822 雙通道音頻功率放大器芯片。音頻處理模塊實現(xiàn)對講機收發(fā)模塊輸出音頻信號的放大,加入一些外圍電路,可有效保障輸出音頻的效果。該功放為直接耦合,因此輸入信號不能帶直流成分。如果輸入信號有直流成分則必須在輸入端串接一只電容隔開,否則將有較大的直流電流流過揚聲器,損壞揚聲器。具體電路圖如圖2 所示。

        圖2 音頻處理模塊電路圖

        1.2.2 電平轉換模塊

        在串口通信接口標準中,RS232 是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài),與TTL 以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。采用三星公司的S3C6410 作為外部控制器,其異步串行口采用標準接口RS232。因此,為了實現(xiàn)外部控制器與HKT-80模塊之間的通信,必須在RS232 與TTL 電路之間進行電平和邏輯關系的變換。采用MAX232 芯片可完成TTL 到RS232 雙向電平轉換,從而保證對講機模塊和上下位機的正常通信。電平轉換模塊電路圖如圖3 所示。

        圖3 電平轉換模塊電路圖

        1.2.3 HKT-80 其他外圍電路

        這部分包括電源的通斷控制、核心模塊的有關管腳使用。對于電源的通斷控制,將HKT-80核心模塊的BAT 腳接一個繼電器,繼電器的另一端接上位機I/O 口,通過軟件實現(xiàn)控制電源PD管腳接高電平,否則模塊處于睡眠狀態(tài),無法正常工作。另外,為了保障通信的距離,應使模塊處于高功率發(fā)射/接收狀態(tài),因此,H/L 管腳接高電平。HKT-80 其他外圍電路如圖4 所示。

        圖4 HKT-80 其他外圍電路

        2 軟件設計

        2.1 通信協(xié)議

        基于HKT-80 核心模塊,對講機與上位機采用標準的異步串口RS232,通過AT(Attention)指令實現(xiàn)通信。AT 指令通常應用在終端設備與PC應用之間的通信[4-6]。作為一種接口標準,AT 指令的格式與返回值都有明確的規(guī)定。核心模塊串口的設置為:8 位數據位、1 位停止位、無奇偶校驗、硬件流控制、波特率為9 600 b/s。

        AT 指令格式:AT 指令均以“AT”作為開頭,以<CR >回車作為結尾。AT 指令返回格式:<CR ><LF > <與AT 指令相關的字符串><CR ><LF >。對于HKT-80 與上位機通信,終端向模塊通信采用的形式為:AT +DMOXXX,模塊向終端通信采用的形式為:+DMOXXX

        2.2 軟件實現(xiàn)

        硬件部分實現(xiàn)了系統(tǒng)在默認設置下的通信,若要實現(xiàn)對核心模塊的人性化操作,則需要借助軟件來實現(xiàn)。通過軟件設計,可以實現(xiàn)模塊在400 ~470 MHz 范圍內設置38 個標準亞音碼,音量調節(jié)以及借助下位機實現(xiàn)掃描功能等。流程圖如圖5 所示。

        在系統(tǒng)功能劃分上,采用上位機主要負責界面部分,下位機主要負責控制部分的設計策略。對講機的開關控制、一鍵通話、掃描等功能由下位機來控制實現(xiàn),通過普通的I/O 口實現(xiàn)通信。而其他部分的功能,通過串口AT 指令實現(xiàn)。

        軟件部分實現(xiàn)了對講機的一鍵通話、頻率設置、亞音設置、掃描等功能,具體如下:

        (1)可通過上位機向下位機發(fā)送預設指令,實現(xiàn)對講機的通斷;

        (2)可通過上位機直接向模塊發(fā)送相應的AT 指令,實現(xiàn)頻率、亞音、音量調節(jié);

        (3)若掃描到某信號時,對講機模塊的SQ 引腳會由高電平變?yōu)榈碗娖?,上位機向下位機發(fā)送指令,讀取與SQ 腳相連的I/O 口的電平高低,由SQ 腳的電平高低來判斷是否掃描到信號。

        圖5 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)流程圖

        2.3 硬件快捷按鈕

        基于用戶需求和危急情況下人的心理考慮,利用ARM11 開發(fā)板上預設的按鈕實現(xiàn)了“一鍵呼救”、“一鍵通話”功能。首先,打開開發(fā)板上的設備按鈕,通過軟件實時監(jiān)測按鈕的操作,若觸發(fā)相應的按鈕,則快速開啟相應的操作,其流程圖如圖6 所示。

        圖6 硬件按鈕快捷操作實現(xiàn)流程圖

        2.4 界面設計

        軟件界面[7-8]是使用者與系統(tǒng)之間進行交互使用的內容、方式、途徑、布局及結構的總稱。在進行界面設計時,不僅要考慮軟件實現(xiàn)的流暢性、穩(wěn)定性,還要考慮到視覺效果以及良好的用戶體驗,盡量做到界面簡潔美觀,各功能模塊功能清晰,操作響應快速。

        Qt 是一個跨平臺的C + + 圖形用戶界面應用程序框架[9-11]。Qt Creator 則是一個用于Qt 開發(fā)的輕量級跨平臺集成開發(fā)環(huán)境。利用Qt Creator,設計并實現(xiàn)了如圖7 所示的對講機操作界面。

        圖7 界面實現(xiàn)效果圖

        從視覺上,整個對講機的功能一目了然,只需點擊相關按鈕便可輕松實現(xiàn)對應功能。

        3 結論

        采用HKT-80 模塊并結合其他外圍電路,實現(xiàn)了對講機硬件部分的設計。通過實際環(huán)境下的測試表明,對講機可以實現(xiàn)室外1 ~3 km 遠距離通信,且有較高質量的音頻效果。在完成硬件設計的基礎上,通過軟件設計實現(xiàn)了對對講機頻率、亞音、音量以及掃描功能的實現(xiàn)。利用Qt 實現(xiàn)了軟件界面設計和對講機功能的便捷化,可交互式操作,同時借助硬件按鈕,實現(xiàn)了一鍵通話、一鍵呼救快速操作。對講機系統(tǒng)是應用在應急災害保險艙中,針對特殊的用戶群體,對功能、性能均有較高的要求。從總體實現(xiàn)結果上看,達到了項目的預期效果,實現(xiàn)了快速、有效、穩(wěn)定的應急通信。

        [1] 陳少華,楊景淇,劉晶美,等. 基于A1840 新型數字對講機的設計[J].電子元器件資訊,2009(6):24-26.

        [2] 張雪麗.應急通信新技術與系統(tǒng)應用[M].北京:機械工業(yè)出版社,2010:34-98.

        [3] 佚名.HKT-80 無線收發(fā)模塊Ver1.1[R]. 深圳:深圳尚瑞思電子有限公司,2011.

        [4] 雷鴻,汪海. 基于嵌入式處理器的研究[J].軟件導刊,2011,10(8):10-11.

        [5] LI H.Analysis and design of a new digital interphone[J].Applied Mechanics and Materials,2012(3):561-564.

        [6] 佚名.HKT-80 模塊AT 通信協(xié)議Ver1.1[R]. 深圳:深圳尚瑞思電子有限公司,2011.

        [7] 友善之臂. Tiny6410 Linux 開發(fā)指南[R]. 廣州:廣州友善之臂公司,2011.

        [8] 孫悅紅,孫繼紅.面向用戶的軟件界面設計[M].北京:清華大學出版社,2009:26-30.

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        [11]JASMIN B,MARK S. C+ + GUI Qt4 編程[M].閆鋒欣,曾泉人,張志強,譯. 北京:電子工業(yè)出版社,2008:65-132.

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