杜彥峰

（鄭州新開普電子股份有限公司，河南 鄭州 450001）

采用基站技術(shù)的對講通訊系統(tǒng)

杜彥峰

（鄭州新開普電子股份有限公司，河南 鄭州 450001）

本文設(shè)計(jì)了一種新型的、可多人同時(shí)說話的對講系統(tǒng)，從原理到具體的圖紙都做了比較詳細(xì)的說明。

基站；PCM；混音

現(xiàn)有的對講機(jī)系統(tǒng)，一般都是一對一，或者一對多，無法做到同時(shí)多人對多人的功能。但是在人們的實(shí)際工作中，有很多情況是需要同時(shí)多對多說話。例如某些危險(xiǎn)作業(yè)中，如果有突發(fā)狀況，等一個(gè)人說完話再切換到另一個(gè)人喊危險(xiǎn)，那就有可能來不及了，特別是建筑施工和野外電力施工的時(shí)候，是有可能造成危險(xiǎn)發(fā)生的。而且，在例如酒店管理、工廠內(nèi)部、物流運(yùn)輸?shù)葓龊希鄬Χ鄬χv系統(tǒng)也是很實(shí)用的。

在這里，我們主要研究設(shè)計(jì)一種多對多的新型對講系統(tǒng)。

在開始之前，要介紹一下移動(dòng)通信技術(shù)的重要元素——基站，它是連接全世界億萬臺手機(jī)的樞紐。基站的工作過程是這樣的，我們用手機(jī)說話的時(shí)候，語音信號首先要被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過手機(jī)以無線方式上傳到附近的基站，然后基站通過有線網(wǎng)絡(luò)傳到上一級的交換機(jī)，再通過有線網(wǎng)絡(luò)傳到對方所在位置附近的基站，最后才用無線方式傳到對方的手機(jī)，完成整個(gè)語音傳送的過程。現(xiàn)在，我們的多對多對講系統(tǒng)，也要引用基站的概念進(jìn)行研發(fā)。

圖1是無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 無線蜂窩網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖

現(xiàn)在的對講機(jī)一般都是沒有基站的，從這點(diǎn)就可以看出，本文介紹的對講系統(tǒng)和傳統(tǒng)的對講機(jī)有明顯的區(qū)別。圖二是采用基站技術(shù)的對講通訊系統(tǒng)示意圖。

圖2 采用基站技術(shù)的對講通訊系統(tǒng)示意圖

圖二中，一個(gè)中心基站臺，五個(gè)子機(jī)組成了一個(gè)多人對講通訊系統(tǒng)，各個(gè)子機(jī)先把數(shù)字語音信號統(tǒng)一發(fā)到中心基站臺，由中心基站臺對語音信號進(jìn)行PCM混音，混音完成后，中心基站臺再把數(shù)字語音信號發(fā)到各個(gè)子機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)同時(shí)的多人說話、多人收聽的功能。

下面先研究中心基站臺的設(shè)計(jì)。中心基站臺采用意法半導(dǎo)體的STM32F103RCT6作為中央處理器，用美國德州儀器公司的tlv320aic1106作為PCM編解碼芯片；射頻方面，采用的是2.4G技術(shù)的多信道無線模塊。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖如下：

圖3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

由圖3可以看到，這個(gè)基站的設(shè)計(jì)分為五個(gè)部分：

一是液晶屏。用于顯示基站的運(yùn)行情況，顯示各個(gè)子機(jī)的通訊情況，以及顯示控制信息等?，F(xiàn)在我們選用了128*64的點(diǎn)陣式液晶屏，根據(jù)實(shí)際的調(diào)試，我們發(fā)現(xiàn)要清晰顯示漢字，至少需要16*16大小的字庫，這樣滿屏可以顯示4*8共32個(gè)漢字，足夠顯示各種信息了。

二是鍵盤，給用戶輸入控制使用。用戶可以設(shè)定通訊的子機(jī)數(shù)量和編號。因?yàn)橛袝r(shí)需要私下溝通，那就不需要多人對講了，用戶可以通過按鍵設(shè)置私聊的子機(jī)編號來實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能。另外，還可以翻查和播放以前的通話錄音。

三是SRAM和FLASH。SRAM是用于語音信息的緩存，因?yàn)镾RAM的數(shù)據(jù)操作速度比較快，所以在做語音數(shù)據(jù)混音的時(shí)候，以及語音播放的時(shí)候都適合用來做緩存。至于FLASH，是用作通話語音的永久存儲，以便用戶日后翻查通話錄音；在這里，建議語音數(shù)據(jù)的名稱包含日期、時(shí)間和項(xiàng)目名稱，這樣就可以很方便地查找到所需要的通話錄音了。

材料多樣且裝飾豐富的蓋碗茶具，適應(yīng)著現(xiàn)代茶事活動(dòng)需求，依然活躍在茶空間中。工藝及裝飾保留優(yōu)秀傳統(tǒng)技藝的同時(shí)與時(shí)俱進(jìn)，形制上并無明顯突破，依舊是傳統(tǒng)的氣質(zhì)。功能上的新發(fā)展，使其漸漸成為適應(yīng)各類茶事活動(dòng)需求的不可或缺的一類茶具（如圖10）。

四是PCM語音數(shù)模轉(zhuǎn)換部分。語音的數(shù)模轉(zhuǎn)換、語音的數(shù)字處理是這個(gè)系統(tǒng)的核心。我們必須要有一個(gè)良好的語音質(zhì)量解決方案。如果用模擬的方法來傳輸語音信號，容易受環(huán)境干擾，包括電磁干擾、大氣離子干擾、電路板級干擾等。因此，我們用PCM數(shù)字編碼的方式來采集語音信號。PCM是Pulse Code Modulation的縮寫（又叫脈沖編碼調(diào)制），是將語音信號每隔一定時(shí)間進(jìn)行取樣，使其離散化，然后將抽樣值取整量化，最后把抽樣的幅值用二進(jìn)制碼來表示。

一般來說，話音PCM的抽樣頻率為8kHz，采樣位數(shù)為一個(gè)8位二進(jìn)制碼，所以話音數(shù)字編碼信號的速率為8bits×8kHz= 64kb/s。但是我們在實(shí)際研究中發(fā)現(xiàn)，對比8K采樣率的音質(zhì)和4K采樣率的音質(zhì)，基本沒有差別，使用者不容易分辨出來，另外為了減少無線傳輸?shù)膸拤毫?，我們最后按?shí)驗(yàn)結(jié)果用4Khz的采樣率。即話音數(shù)字編碼信號的速率為8bits×4kHz=32kb/s。根據(jù)需要，我們選擇美國德州儀器公司的tlv320aic1106作為PCM編解碼芯片。這個(gè)IC有13位線性編碼和8位u-law兩種編碼方式，我們采用的是8位u-law編碼。下面是這個(gè)IC的應(yīng)用電路圖：

圖4 應(yīng)用電路圖

如圖四，MIC2是麥克風(fēng)，經(jīng)過C101、C102隔直濾波后，通過U102的第10、11腳輸入到PCM編解碼芯片。中間的R103，R104、R105、R106可以調(diào)節(jié)麥克風(fēng)信號的放大倍數(shù)，計(jì)算公式為：

放大倍數(shù)=20*log(R105/R103)

由設(shè)計(jì)圖紙的參數(shù)可知，現(xiàn)在的放大倍數(shù)約為14.15倍。這個(gè)參數(shù)已經(jīng)驗(yàn)證可行。

至于音頻的播放，音頻信號從U102的第5、7腳輸出，經(jīng)過C111、C112的隔直濾波，直接驅(qū)動(dòng)32歐姆的耳機(jī)（元件號為SPK）。

五是多個(gè)射頻模塊，用于連接各個(gè)子機(jī)。至于射頻模塊的數(shù)量，取決于射頻模塊的通訊速率、語音數(shù)據(jù)的大小和子機(jī)的數(shù)量?，F(xiàn)在先做一個(gè)8子機(jī)的多人對講系統(tǒng)，那就需要4個(gè)射頻模塊，下面我們來分析具體的設(shè)計(jì)思路。我們選用了LRF010作為我們系統(tǒng)的射頻模塊，這個(gè)模塊標(biāo)稱的通訊速率是250kb/s，但這個(gè)是理想情況，在實(shí)際使用中，因?yàn)橥姓系K物，無線通訊的效果是要打折扣的，我們通過多次實(shí)驗(yàn)，得出這個(gè)射頻模塊的平均通訊速率為80kb/s左右。采用的語音編碼速率是32kb/s，那么無線模塊的傳輸帶寬是語音數(shù)據(jù)大小的兩倍還多16kb/s，那么這個(gè)無線系統(tǒng)可以這樣建立：基站的一個(gè)無線模塊可以同時(shí)接收2個(gè)子機(jī)的語音數(shù)據(jù)，此時(shí)，因?yàn)檫€剩余16kb/s的帶寬，這個(gè)16kb/s的帶寬剛好可以用于基站對這2個(gè)子機(jī)的控制。也就是說，這個(gè)基站系統(tǒng)需要4個(gè)射頻模塊來接收和控制8個(gè)子機(jī)。圖5是一個(gè)LRF010射頻模塊的連接設(shè)計(jì)圖。

圖5 連接設(shè)計(jì)圖

最后，在這個(gè)基站系統(tǒng)里要說的就是CPU了。本系統(tǒng)采用的是意法半導(dǎo)體的STM32F103RCT6，它擁有Cortex-M3的內(nèi)核，處理速度可達(dá)1.25DMIPS/MHZ，最高運(yùn)行頻率為72MHZ，足以滿足我們語音處理的需要。另外在接口方面，它有2個(gè)I2C接口，3個(gè)SPI接口，5個(gè)串口，1個(gè)工業(yè)CAN接口，1個(gè)USB接口和1個(gè)SDIO接口；輔助功能方面，有3個(gè)12位的ADC，2個(gè)12位的DAC，以及16位的PWM、計(jì)數(shù)器等。

圖6是STM32F103RCT6的設(shè)計(jì)原理圖。

圖6 設(shè)計(jì)原理圖

在圖6里，各個(gè)部分的接口都用網(wǎng)絡(luò)名稱做了明確的標(biāo)記。具體如下：PCM芯片控制接口就是控制tlv320aic1106語音芯片；RF控制接口就是控制LRF010A模塊；232串口用于外部通訊；KEY1—KEY4是4個(gè)鍵盤輸入；存儲器接口采用的是SPI方式，而且用的是同一個(gè)SPI口，只用不同的片選來區(qū)分開；最后是液晶屏接口，用的是I2C接口方式。

基站系統(tǒng)工作的時(shí)候，具體流程如下：CPU首先通過LRF010A模塊發(fā)送指令給8個(gè)子機(jī)，子機(jī)接收到指令后，就同時(shí)把前1秒的語音數(shù)據(jù)傳回基站（因?yàn)槭峭瑫r(shí)傳輸，所以8個(gè)子機(jī)要設(shè)置成不一樣的信道頻率，這樣才不會互相干擾）；基站接收到語音數(shù)據(jù)后，要把這8個(gè)語音數(shù)據(jù)先存在SRAM，然后進(jìn)行逐個(gè)混音，PCM數(shù)字混音的公式為

DATA3=（DATA1+DATA2）/2

DATA1代表了第1路二進(jìn)制數(shù)據(jù)，DATA2代表了第2路二進(jìn)制數(shù)據(jù)，DATA3代表結(jié)果。在得到DATA3這個(gè)結(jié)果后，再和第3路語音數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算，得到第2個(gè)結(jié)果，然后再和第4路語音數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算……以此類推，就可以得到8路語音數(shù)據(jù)的混音值。最后把這個(gè)語音數(shù)據(jù)通過LRF010A模塊發(fā)給8個(gè)子機(jī)，各個(gè)子機(jī)就可以聽到所有人一起說話的聲音。當(dāng)然，CPU還要把8個(gè)子機(jī)的語音數(shù)據(jù)都存到FLASH中，以便日后有需要時(shí)查詢。

從這個(gè)工作流程可以看出，數(shù)據(jù)運(yùn)算雖然不復(fù)雜，但是要求速度快，不然聲音播放出來就是斷斷續(xù)續(xù)的。而且，現(xiàn)在的系統(tǒng)是有1秒通話延時(shí)的，如果要減少延時(shí)，例如減少到0.5秒，那就更要注意軟件的處理方式，不然很可能造成系統(tǒng)速度跟不上，出現(xiàn)語音斷續(xù)的情況。

最后要設(shè)計(jì)的就是子機(jī)（手持設(shè)備）了。由于子機(jī)只是采集和發(fā)送語音數(shù)據(jù)，并且把接收到的語音數(shù)據(jù)播放出來，所以要簡單一些。我們選用高速51單片機(jī)（STC）來做這個(gè)子機(jī)控制器，盡量把成本降下來。由于這個(gè)圖紙比較簡單，只要參考基站的原理圖就可以設(shè)計(jì)出來，在這里我們就不畫它的原理圖了，但是把這個(gè)子機(jī)的軟件工作流程闡述一下：

圖7 工作流程圖

單片機(jī)始終周期性地采集語音數(shù)據(jù)和播放語音數(shù)據(jù)，并且把采集到的語音數(shù)據(jù)存儲到SARM中——等待無線模塊的中斷信號——如果有無線模塊的中斷信號，就把接收到的語音數(shù)據(jù)存到SRAM中，準(zhǔn)備播放。如果沒有無線模塊的中斷信號，就返力下，安裝渦流工具的氣井能量消耗更少，產(chǎn)氣量更高。

井下渦流工具具有操作簡單，成本低，投資少的特點(diǎn)。

（3）打撈式渦流工具設(shè)置在專用油管短節(jié)中或環(huán)形回?fù)踔?，通過鋼絲/測井電纜嵌入油管，安裝操作簡單，減少了操作成本。

（4）投入成本低體現(xiàn)：一方面起泡劑用量減少，減少費(fèi)用；另一方面由于柱塞被替代，節(jié)省了井積液時(shí)修復(fù)柱塞所需費(fèi)用；另外，井下渦流工具安裝后氣井可連續(xù)生產(chǎn)，大大減少了人工維護(hù)管理所需費(fèi)用，適合蘇里格氣田地廣人稀、井多面廣的情況。

（5）與常規(guī)排水采氣技術(shù)相比，井下渦流工具不但能高效排液，節(jié)約地層能量，而且工具成本低、安裝與回收費(fèi)用低，可預(yù)見經(jīng)濟(jì)效果顯著，有很好的應(yīng)用前景。由于在蘇77-4-4與試驗(yàn)77-4-6井現(xiàn)場試驗(yàn)效果顯著，可進(jìn)一步擴(kuò)大該技術(shù)的應(yīng)用。

[1]樂宏,康建榮,葛有琰.排水采氣工藝技術(shù)[M].北京:石油工業(yè)出版社，2011:50～53.

[2]裘湘瀾.氣井排水采氣工藝原理及應(yīng)用[J].油氣田地面工程，2010,5,10～15.

這樣，整個(gè)基站式的多人對講系統(tǒng)就設(shè)計(jì)完成了，其中的技術(shù)難點(diǎn)有基站對子機(jī)的控制、PCM語音質(zhì)量和混音功能。在設(shè)計(jì)這個(gè)系統(tǒng)的過程中，需要花時(shí)間去解決這些困難，但是最終完成了設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)際的通話測試，可以實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)說話，同時(shí)聽到多人聲音的功能，系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本達(dá)到了目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

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TN929

A

1003-5168(2014)03-0078-03

宋蘇涵（1988—），男，天津薊縣人，西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械電子工程專業(yè)研究生，研究方向：石油鉆采自動(dòng)化理論和智能裝備?；氐街芷谛缘夭杉Z音數(shù)據(jù)和播放語音數(shù)據(jù)的主體程序中。在這里要注意，接收到的語音數(shù)據(jù)播放一次就要清除掉，防止重復(fù)播放。