謝曉燕，石曉龍

(西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710061)

機(jī)車綜合無線通信設(shè)備語音單元的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

謝曉燕，石曉龍

(西安郵電大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710061)

機(jī)車綜合無線通信設(shè)備(Cab Integrated Radio communication equipment，CIR)是目前國際流行的列車無線調(diào)度通信用車載設(shè)備。設(shè)備的語音單元主要負(fù)責(zé)機(jī)車在鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM-Railway，GSM-R)網(wǎng)絡(luò)覆蓋下進(jìn)行語音調(diào)度通信，在系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用。為了滿足CIR通過GSM-R進(jìn)行語音通話的實(shí)際需求，文中設(shè)計(jì)了一種基于Cinterion-MC55i無線通信模塊、單片機(jī)和復(fù)雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)組成的CIR語音通信單元。在分析實(shí)際系統(tǒng)功能需求和應(yīng)用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，并給出了主控電路、無線通信電路等主要硬件電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，對單片機(jī)主控程序及看門狗芯片控制、串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)核心軟件模塊進(jìn)行了詳細(xì)說明。測試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的語音通信單元運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，能夠滿足CIR設(shè)備的通信要求。

機(jī)車綜合無線通信設(shè)備；語音單元；鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)；無線通信模塊；單片機(jī)

0 引 言

隨著我國鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路通信設(shè)備也隨著鐵路通信技術(shù)的發(fā)展得到了提高，機(jī)車綜合無線通信設(shè)備(CIR)逐步取代了原有的無線調(diào)度通用式機(jī)車電臺(tái)，成為新一代列車無線調(diào)度通信的主要車載設(shè)備[1-3]。它既能滿足我國新建鐵路GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，又能夠兼容傳統(tǒng)模擬制式450 MHz模擬無線通信系統(tǒng)[2]。CIR主要由主控制單元、GSM-R語音單元、GSM-R數(shù)據(jù)單元、GPS衛(wèi)星定位單元、記錄單元、450 MHz機(jī)車電臺(tái)單元、電源單元和接口單元等組成[4-6]。

GSM-R語音單元為CIR設(shè)備的核心單元，該單元是在主控制單元的控制下完成GSM-R語音調(diào)度通信功能。主要包括點(diǎn)對點(diǎn)的語音呼叫業(yè)務(wù)、語音廣播業(yè)務(wù)、語音組呼業(yè)務(wù)、公眾緊急呼叫業(yè)務(wù)和多方通信[7-9]。目前該單元的主流設(shè)計(jì)方案是芯片級(jí)設(shè)計(jì)的移動(dòng)通信終端[10]。國內(nèi)廠商在這方面起步較晚，并且提供的套片在電磁兼容性及GSM-R協(xié)議棧等方面存在許多問題[11]。

基于此，文中提出了一種基于技術(shù)成熟的GSM模塊和嵌入式技術(shù)的GSM-R語音單元。該系統(tǒng)利用GSM模塊MC55i作為系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)發(fā)送/接收終端，數(shù)據(jù)的處理由單片機(jī)HD64F3048BVTE和CPLD來完成。該系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定、可靠性高和成本低等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)組成

文中提出的GSM-R語音單元主要由單片機(jī)、GSM通信模塊、復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)等組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

其中，微控制器作為系統(tǒng)的主控芯片，通過串行總線與GSM模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)開機(jī)時(shí)由單片機(jī)給GSM模塊發(fā)起開機(jī)信號(hào)，GSM模塊上電后自動(dòng)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)是否連通并進(jìn)入工作模式。當(dāng)機(jī)車司機(jī)通過GSM-R語音單元進(jìn)行呼叫通信時(shí)，通過CIR的操作終端發(fā)送呼叫請求，GSM-R語音單元的CPLD將接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后發(fā)送給CPLD，CPLD最后將數(shù)據(jù)交給無線通信模塊MC55i進(jìn)行合適的調(diào)制，MC55i將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電磁波通過天線發(fā)射出去。被呼模式原理相同。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控制電路

單片機(jī)采用瑞薩科技公司生產(chǎn)開發(fā)的HD64F3048BVTE，它是以H8/300H CPU為核心，且集成了若干重要的系統(tǒng)支持功能部件的高檔微控制器[12]。H8/300H CPU內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)為32位，128 K RAM，4 K ROM，2路SCI串行通信接口，最大時(shí)鐘頻率25 MHz[13]。

CPLD采用ALTERA公司的EPM3064 -ATC100芯片[14]，主要進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和看門狗芯片的邏輯信號(hào)控制。CPLD的時(shí)鐘是通過單片機(jī)的外脈沖信P67/φ引腳提供，其時(shí)鐘頻率與單片機(jī)的時(shí)鐘頻率相同。串口電路用于PC機(jī)和系統(tǒng)通信，采用芯片ADM3202ARU實(shí)現(xiàn)RS232標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)傳輸。看門狗復(fù)位電路利用看門狗監(jiān)測芯片ADM706SAR監(jiān)測系統(tǒng)是否工作正常。

接口電路連接圖如圖2所示。

圖2 CPLD接口電路連接圖

其中，RD和WR信號(hào)為單片機(jī)的讀寫使能信號(hào)，CS為片選信號(hào)。當(dāng)CS、RD或CS、WR為低電平時(shí)，單片機(jī)對CPLD芯片進(jìn)行讀寫操作。C_RES信號(hào)為看門狗發(fā)送給單片機(jī)的復(fù)位信號(hào)，當(dāng)看門狗計(jì)數(shù)器溢出以后，看門狗芯片給單片機(jī)發(fā)出復(fù)位信號(hào)，低電平有效。MD2引腳為單片機(jī)的模式選擇引腳，F(xiàn)WE信號(hào)為加載使能信號(hào)。當(dāng)通過串口給單片機(jī)加載程序時(shí)，F(xiàn)WE信號(hào)有效并且根據(jù)芯片手冊MD2模式引腳在加載程序時(shí)要進(jìn)行改變。

2.2 無線通信電路

數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送采用Cinterion公司的GSM無線通信模塊MC55i。該模塊為工業(yè)級(jí)GSM/GPRS模塊，支持的頻率為GSM 850/900/1 800/1 900 MHz。集成了TCP/IP協(xié)議棧，使用十分方便，主要應(yīng)用在消費(fèi)類電子產(chǎn)品和工業(yè)控制領(lǐng)域[15]。

GSM模塊電路連接圖如圖3所示。

圖3 GSM模塊電路連接圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

文中的GSM-R語音單元采用嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，分為CPLD軟件程序和單片機(jī)驅(qū)動(dòng)程序兩大部分。

3.1 CPLD程序設(shè)計(jì)

CPLD程序模塊包括看門狗芯片控制模塊和串口數(shù)據(jù)傳輸模塊。

(1)看門狗芯片控制模塊。

為了使硬件看門狗更加可靠，使用起來更加靈活，設(shè)計(jì)采用看門狗芯片配合邏輯器件(CPLD)來使用?？紤]到給單片機(jī)加載程序時(shí)單片機(jī)給看門狗芯片不發(fā)送喂狗信號(hào)，看門狗在最大計(jì)數(shù)時(shí)間沒有收到喂狗信號(hào)，就會(huì)發(fā)送復(fù)位信號(hào)使系統(tǒng)復(fù)位，所以設(shè)計(jì)在加載程序時(shí)禁止看門狗對系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位。

主要代碼如下：

assign debug=(!fw_dn_);//CPU加載程序

assign mrst_706_=(debug ?1'b1:wdo_706_) ? 1'bz:1'b0;//CPLD輸出復(fù)位信號(hào)給看門狗芯片，wdo_706_為輸出看門狗信號(hào)

assign wdtc_706=wdtc_reg ? 1'bz:1'b0;//CPLD輸出清狗信號(hào)

assignc_res_=reset_ ? 1'bz:1'b0;//給單片機(jī)復(fù)位，reset_為看門狗輸出復(fù)位信號(hào)

(2)串口數(shù)據(jù)傳輸模塊。

當(dāng)CPLD接收到來自調(diào)試串口或主設(shè)備接口的數(shù)據(jù)時(shí)，將數(shù)據(jù)通過單片機(jī)的串口1發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后通過串口0發(fā)送給CPLD，CPLD最后把數(shù)據(jù)傳輸給GSM模塊，相反如此。對串口接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷傳輸?shù)年P(guān)鍵代碼如下：

assign m_txd_o =cpu_txd0_i;

assign cpu_rxd0_o=m_rxd_i;//GSM無線通信模塊串口

assign dbg_txd_o=cpu_txd1_i;//系統(tǒng)通信口和CPU調(diào)試串口

assign cpu_rxd1_o=(cpu_sio1_sel || debug)?dbg_rxd_i:sys_txd_i;

assign sys_rxd_o=(cpu_sio1_sel || debug) ? 1'bz:cpu_txd1_i;

3.2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

3.2.1 主程序的設(shè)計(jì)

主程序是整個(gè)系統(tǒng)軟件程序的核心部分，系統(tǒng)初始化包括：單片機(jī)I/O口初始化、指示燈初始化、定時(shí)器初始化、串口初始化、CPLD初始化、看門狗初始化、GSM-R模塊初始化、LED初始化等。

系統(tǒng)的主函數(shù)程序如下：

void main(void)

{

Tick_Init(SYSTICK_DIV); //定時(shí)器初始化

Task_Init();//任務(wù)函數(shù)初始化

SCI_Init();//串口初始化

Led_Init();//指示燈初始化

Module_Init();//GSM模塊初始化

if(0x80==(*((U8*)0x0ffff8fL)&0x80))

{

Printf(" CpuWDT_Reset");

*((U16*)0x0ffff8eL)=0xA500;

}

CREATE_TIMER_TASK("wdtc"，20，ClearWatchdog，0);//每隔100 ms發(fā)送喂狗信號(hào)

}

3.2.2 GSM模塊初始化

GSM模塊與單片機(jī)之間以標(biāo)準(zhǔn)的AT指令集進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)交換，當(dāng)單片機(jī)上電復(fù)位后，系統(tǒng)對GSM模塊進(jìn)行初始化設(shè)置，單片機(jī)以異步通信的方式與GSM模塊進(jìn)行通信。

單片機(jī)向模塊發(fā)送“AT”測試其工作狀態(tài)，考慮到發(fā)送AT指令存在發(fā)送一次不成功的情況，因此文中設(shè)計(jì)采用了多次發(fā)送AT指令的方式來避免出錯(cuò)。如果多次發(fā)送后沒有得到正確的響應(yīng)，則不再發(fā)送并通過設(shè)置LED指示燈的工作狀態(tài)報(bào)錯(cuò)，并且系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。單片機(jī)向模塊發(fā)送“AT”，模塊回復(fù)“AT/rOK”后，表示模塊通信正常，通過軟件將通信波特率設(shè)為9 600 bps，設(shè)置LED燈的工作方式，然后執(zhí)行下一步對模塊的初始化操作。

4 系統(tǒng)測試

將GSM-R語音單元(連接天線和電源)通過USB轉(zhuǎn)串口線與電腦相連，利用PC機(jī)的超級(jí)終端通過串口向GSM-R單元發(fā)送AT指令進(jìn)行相關(guān)功能測試。該系統(tǒng)進(jìn)行了通用AT命令、短信數(shù)據(jù)傳輸、語音撥號(hào)以及GSM-R電路交換業(yè)務(wù)等功能測試，在調(diào)試中，選取短信數(shù)據(jù)傳輸和語音撥號(hào)的結(jié)果進(jìn)行分析。

(1)短消息傳輸測試。

短消息的發(fā)送和接收控制模式有PDU模式和Text模式。Text模式不支持中文，PDU模式發(fā)送中文時(shí)需要采用UCS2編碼方式，每個(gè)中文字符用16位的Unicode字符表示，短消息的收發(fā)通過AT指令完成。

①Text模式發(fā)送短信。

Text模式比較簡單，發(fā)送格式如下：

AT+CGMF=1<回車> //設(shè)置發(fā)送模式為Text模式

AT+CGMS=“18700834458”<回車>

>Hello!

+CMGS: //指示消息發(fā)送成功

②PDU模式發(fā)送短信。

向號(hào)碼8618700834458發(fā)送“你好！”，實(shí)際發(fā)送的二進(jìn)制字符串為：0891683108200905F011000D91688 107804354F8000800064F60597D0021，其含義見表1。

表1 PDU模式下發(fā)送消息的含義

PDU模式的短信發(fā)送方式和Text模式的短信發(fā)送模式相同，發(fā)送格式如下：

AT+CGMF=0<回車>

//設(shè)置發(fā)送模式為PDU模式

OK//PDU模式設(shè)置成功

AT+CGMS=<回車> //為短信的長度

> PDU is given //輸入PDU模式下的二進(jìn)制字符串

+CMGS: //指示消息發(fā)送成功

采用以上兩種發(fā)送模式發(fā)送短信均以成功，同時(shí)目標(biāo)手機(jī)也相應(yīng)接收到了短信。

(2)語音撥號(hào)測試。

語音應(yīng)用呼叫AT指令(打電話ATD+電話號(hào)碼；ATA接電話；掛斷電話ATH)，測試結(jié)果如圖4所示。

圖4 語音呼叫測試結(jié)果

通過測試結(jié)果可以看出，系統(tǒng)打電話時(shí)被呼移動(dòng)設(shè)備能夠準(zhǔn)確收到語音呼叫請求，在進(jìn)行接、掛電話測試時(shí)系統(tǒng)均響應(yīng)正常。

5 結(jié)束語

文中對機(jī)車綜合無線通信設(shè)備GSM-R語音單元的各個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)說明，充分結(jié)合了單片機(jī)和CPLD可編程器件兩者的長處，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)+CPLD的嵌入式平臺(tái)，提高了系統(tǒng)的可靠性及實(shí)時(shí)性。用CPLD實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的發(fā)送和傳輸以及信號(hào)的邏輯控制，充分發(fā)揮了CPLD可重構(gòu)的優(yōu)勢，克服了模擬電路不易修改的弊端。該語音單元經(jīng)過測試驗(yàn)證，工作穩(wěn)定可靠，能夠達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

[1] 鄢江艷.CIR設(shè)備在GSM-R系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2014(20):25-25.

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[3] 蔣志勇,徐 鈞.機(jī)車綜合無線通信設(shè)備構(gòu)思和關(guān)鍵技術(shù)[C]//GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集.出版地不詳:中國鐵道學(xué)會(huì)自動(dòng)化委員會(huì),2005.

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[13] H8/3048B group hardware manual 3.0[EB/OL].2006-09-27.http://cn.renesas.com.

[14] MAX 3000A programmable logic device family data sheet[EB/OL].2006.http://www.ic37.com/ALTERA/MAX-3000A_datasheet_13442240/.

[15] MC55i hardware interface description[EB/OL].2009.https://support.industry.siemens.com/.

Design and Implementation of Voice Unit for Cab Integrated Radio Communication Equipment

XIE Xiao-yan,SHI Xiao-long

(School of Computer Science,Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710061,China)

Recently,Cab Integrated Radio communication equipment (CIR) becomes a kind of popular vehicle equipment for train radio dispatching.The voice unit is an important part of CIR equipment,mainly in charge of locomotive voice dispatching communication function via GSM-R network.In order to meet the needs of practical application,a kind of CIR voice communications unit based on wireless communication module Cinterion-MC55i,MCU and CPLD was designed in this paper.Based on the function requirements and application features of voice unit,put forward an overall design scheme of the system,and gives the hardware design principle diagram.The design details of key components are involved in,such as main control unit,GSM peripheral circuit.And then,the software design of some kernel modules are given,such as watchdog chip control,serial data transmission,and master control program etc.The test results show that the voice communication module operating is stable,which can meet the communication requirements of the CIR equipment.

CIR;voice unit;GSM-R;wireless communication module;microcontroller

2015-05-22

2015-08-26

時(shí)間：2016-01-26

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2013JC2-32)作者簡介：謝曉燕(1972-)，女，碩士生導(dǎo)師，CCF會(huì)員，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；石曉龍(1988-)，男，碩士，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)信息系統(tǒng)集成與分析。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1521.062.html

TP368

A

1673-629X(2016)02-0136-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.031