摘 要： 由于當(dāng)前安防領(lǐng)域里防毒面具不易進(jìn)行有效通信問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種融合ARM和DSP的防毒面具的無(wú)線通話控制系統(tǒng)。以抗干擾、低功耗和耐高低溫三因素為基準(zhǔn)，聲源經(jīng)過(guò)EFM32系列ARM，BR261系列DSP和TP2015D1音頻放大器處理，最終輸出高質(zhì)量的音頻信號(hào)。通過(guò)LeCroy示波器波形分析表明，該系統(tǒng)可識(shí)別人聲和呼吸氣流聲，最大工作電流Imax<200 mA，關(guān)閉聲源放大器時(shí)，最大電流Imax<30 mA，滿足低功耗工作要求，聲源輸出穩(wěn)定清晰，具備一定抗靜電強(qiáng)磁干擾能力。

關(guān)鍵詞： 防毒面具； 無(wú)線通話； 低功耗通話系統(tǒng)； 音頻放大

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TN923 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）18?0084?04

Abstract： In view of the problem that it is difficult for the gas mask in the security?protection field to realize effective communication， an ARM and DSP based wireless call system for gas mask was designed， which takes anti?interference， low?power consumption and high/low temperature resistant as its baseline. Its sound source is processed by EFM32 series ARM， BR261 series DSP and TP2015D1 audio amplifier， and the high quality audio signal is output at last. The analysis results from LeCroy oscilloscope show that the system can recognize the talking voice and airflow noise from breathing. Its maximum working current is less than 200 mA， and the maximum current is less than 30 mA when its audio amplifier is closed. It can meet the requirements of low?power consumption， and stable and clear sound source output. It also has a certain ability of antistatic and strong magnetic interference.

Keywords： gas mask； wireless communication； low?power consumption call system； audio amplifier

0 引 言

眾所周知，防毒面具是防止有毒物質(zhì)傷害的個(gè)人防護(hù)器材，其廣泛應(yīng)用于軍事、消防、救災(zāi)等安防領(lǐng)域。由于防毒面具密閉特性，導(dǎo)致人員之間不能較好地進(jìn)行通話，特別是在更加復(fù)雜的環(huán)境中，難以進(jìn)行有效通信[1]。

國(guó)內(nèi)外關(guān)于防毒面具通信問(wèn)題的研究歷程已較為深遠(yuǎn)。最初，大多數(shù)是依靠通話膜和傳聲器來(lái)傳遞人聲，但通信效果并不佳，尤其是在惡劣的特殊應(yīng)用環(huán)境下，更加阻礙了人與人之間的通信；其后，國(guó)外使用電聲放大器來(lái)進(jìn)行通信，所采用放大器，由于在極端惡劣環(huán)境下性能不穩(wěn)定、功耗大、效率低，不能長(zhǎng)時(shí)間通話，因此也沒(méi)有得到較好的通信效果[1]。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上防毒面具產(chǎn)品種類(lèi)頗多，比如3M、百安達(dá)、Honeywell等安防產(chǎn)品供應(yīng)商，其防毒面具產(chǎn)品側(cè)重于安全防護(hù)和材料性能方面，在通話方面仍沿襲以往的通話膜和傳聲器來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能。

文獻(xiàn)[2]采用語(yǔ)音編碼和跳頻技術(shù)開(kāi)發(fā)出一種防毒面具內(nèi)置的無(wú)線通話終端，此終端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)有以下難點(diǎn)：第一，跳頻通信需采用合理的跳速和語(yǔ)音編碼速率才能確保具有良好的抗干擾性能；第二，需要采用獨(dú)特的噪聲抑制算法才能保證減小防毒面具本身的振蕩回聲；第三，難以做到內(nèi)部數(shù)據(jù)的正確傳輸和信道的同步，有一定誤碼率?？傊@種無(wú)線通信終端雖可以解決短距離通信問(wèn)題，但在工程領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)的通信質(zhì)量不佳。

文獻(xiàn)[3]利用內(nèi)置的數(shù)字對(duì)講機(jī)進(jìn)行通信，在遠(yuǎn)距離能夠?qū)崿F(xiàn)較好的通信。數(shù)字對(duì)講機(jī)由音頻模塊、控制模塊和射頻前端模塊組成。在結(jié)構(gòu)方面，對(duì)講機(jī)與防毒面具在設(shè)計(jì)上合為一體，會(huì)加重防毒面具的整體重量，佩戴不方便。在通信方面，射頻通信本身抗干擾能力不強(qiáng)，語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中容易丟失，不能保證數(shù)據(jù)的正確傳輸。而且，收發(fā)雙方是否能夠占用不同的時(shí)隙實(shí)現(xiàn)收發(fā)轉(zhuǎn)換，在射頻前端模塊能否實(shí)現(xiàn)全雙工對(duì)講沒(méi)有具體說(shuō)明。

縱觀國(guó)內(nèi)外防毒面具的發(fā)展史，針對(duì)應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，佩戴防毒面具不易通信問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種基于DSP和ARM的防毒面具無(wú)線遠(yuǎn)程通話系統(tǒng)，用于佩戴防毒面具時(shí)進(jìn)行通話交流，系統(tǒng)包括主、副兩種通話系統(tǒng)模式。主通話系統(tǒng)為音頻放大器，可解決短距離通信問(wèn)題；副通話系統(tǒng)與步話機(jī)連接，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信問(wèn)題。該系統(tǒng)在抗干擾性能、功耗、效率、通信效果方面作了優(yōu)化處理[4?5]，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)防毒面具市場(chǎng)無(wú)專(zhuān)門(mén)通信解決方案。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

本文目的在于提出一種具備一定抗干擾性、低功耗、耐高低溫（60 ℃/-30 ℃），具有主、副通話模式的優(yōu)點(diǎn)的防毒面具無(wú)線遠(yuǎn)程通話系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)以上目的，對(duì)防毒面具無(wú)線通話系統(tǒng)整體方案作如下闡述：該系統(tǒng)由主通話和副通話系統(tǒng)兩部分組成。主通話系統(tǒng)由麥克風(fēng)（MIC?Phone）、電源模塊（Battery Moudle）、ARM控制模塊、聲源處理（DSP）模塊、聲源放大（Audio AMP）模塊、電源指示邏輯（LED）模塊、揚(yáng)聲器（Speak）組成。副通話系統(tǒng)由麥克風(fēng)（MIC?Phone）、信號(hào)接口模塊、便捷開(kāi)關(guān)按鈕、耳機(jī)接聽(tīng)模塊、步話機(jī)組成。主、副通話系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

其中，主通話系統(tǒng)主要為音頻放大器，可實(shí)現(xiàn)短距離通信（3 m范圍內(nèi)聲音不低于70 dB）。在主通話系統(tǒng)中，電源模塊給ARM，DSP和聲源放大模塊供電，ARM控制模塊監(jiān)控電源電壓工作狀態(tài)，通過(guò)LED電源指示模塊顯示該系統(tǒng)的工作狀態(tài)，且調(diào)用聲源處理（DSP）模塊對(duì)麥克風(fēng)輸入人聲信號(hào)進(jìn)行處理，再經(jīng)過(guò)聲源放大（Audio AMP）模塊進(jìn)行放大處理，最終輸出給揚(yáng)聲器（Speak）；LED電源指示模塊是顯示主通話系統(tǒng)的工作狀態(tài)，包括休眠狀態(tài)、工作狀態(tài)和低電壓報(bào)警狀態(tài)。

副通話系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)線與防爆型步話機(jī)連接，可解決遠(yuǎn)距離通信問(wèn)題。信號(hào)接口模塊一方面是通過(guò)信號(hào)線連接步話機(jī)以便通信，另一方面通過(guò)采樣電路使輸入語(yǔ)音信號(hào)最大限度無(wú)失真?zhèn)鬟f給對(duì)方；便捷開(kāi)關(guān)是在信號(hào)線上安裝的步話機(jī)通信按鈕，便于佩戴該防毒面具人員使用步話機(jī)；耳機(jī)接聽(tīng)模塊是指使用耳機(jī)接聽(tīng)裝置能夠更清晰地接聽(tīng)對(duì)方語(yǔ)音。

2 主模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)與分析

2.1 電源模塊設(shè)計(jì)

如圖2所示，電源模塊電路設(shè)計(jì)圖。主通話系統(tǒng)采用3節(jié)干電池供電，初始電壓值約為4.5～5.5 V，經(jīng)過(guò)限流保護(hù)、濾波降噪、低壓監(jiān)控處理，最終輸出兩種電壓值，一方面提供3.3 V電壓給DSP和ARM，另一方面提供4.5～5.5 V給ARM控制ADC電源監(jiān)控和聲源放大模塊。

為達(dá)到低功耗和高效率電源輸出目的，電源模塊最大輸入電流為500 mA，采用Litteluse公司0805L50 PTC可重置保險(xiǎn)絲進(jìn)行過(guò)流保護(hù)；由于磁珠相比電感具有較好的消除高頻效果，所以采用600 Ω的磁珠進(jìn)行高頻濾波處理；再通過(guò)EMI靜噪濾波器處理，抑制電磁噪聲干擾。在電路中采用TPS4898PDRYR低電壓監(jiān)控芯片，讓ARM控制低電壓小于3.0 V時(shí)關(guān)斷通話系統(tǒng)。DC?DC部分選用Micrel公司雙同步800 mA降壓DC?DC穩(wěn)壓芯片MIC2230?AAYML，能夠輸出穩(wěn)定的3.3 V。

2.2 ARM控制電路設(shè)計(jì)

為滿足通話系統(tǒng)超低運(yùn)行和待機(jī)功耗、快速運(yùn)行等條件，ARM選用Energy Micro公司基于32位ARM?CortexM3節(jié)能內(nèi)核的EFM32TG110F芯片[6]，共有EM0～EM4五種低功耗模式，EM2模式下，待機(jī)功耗僅需900 nA，比傳統(tǒng)ARM具有更高的處理性能和更低能耗?？梢杂赏獠縄/O，I2C通信接口等方式喚醒。主控制器ARM硬件電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

EFM32TG120F工作電壓范圍為1.8～3.8 V，電源模塊提供3.3 V穩(wěn)定電壓，5 mA最大輸入電流。12 b ADC對(duì)電源輸入電壓VBT_IN（3.3～5.5 V）采樣監(jiān)控，在電壓小于3.0 V時(shí)，啟動(dòng)軟開(kāi)關(guān)關(guān)閉主通話系統(tǒng)，同時(shí)啟動(dòng)綠色LED（閃亮）進(jìn)入報(bào)警模式。ADC對(duì)DSP處理后的聲源信號(hào)采樣處理，辨別防毒面具內(nèi)部氣流聲和人聲，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)輸出，若為氣流聲，對(duì)此聲源不做放大處理，即輸出聲源放大使能信號(hào)（EN）為低電平。

2.3 DSP和聲源放大控制電路設(shè)計(jì)

如圖4所示，防毒面具內(nèi)部安裝麥克風(fēng)（MICPhone），人聲通過(guò)麥克風(fēng)輸入到音頻處理DSP模塊（最大輸入電流500 μA），DSP選用安森美BR261系列芯片[7]，內(nèi)部集成高度優(yōu)化的數(shù)字信號(hào)處理器DSP和先進(jìn)噪聲消減算法，提升嘈雜環(huán)境下的語(yǔ)音清晰度和逼真度。聲源放大芯片采用TI公司TPA3015D1YZHR芯片[8]，是一種2 W單聲道D類(lèi)音頻放大器，具有在低電壓3.6 V時(shí)依舊可恒定輸出2 W功率，從而保持放大聲源穩(wěn)定輸出，且完全具備低功耗標(biāo)準(zhǔn)[9]。

3 數(shù)據(jù)分析及可靠性驗(yàn)證

文中提出了基于ARM和DSP的防毒面具無(wú)線遠(yuǎn)程通話系統(tǒng)，對(duì)設(shè)計(jì)電路模塊提出以下測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)：第一，測(cè)試模塊輸入電壓紋波、效率以及輸入電流變化；第二，驗(yàn)證低功耗工作模式，即在正常聲源放大狀態(tài)，最大工作電流不超過(guò)200 mA，不開(kāi)啟功率放大器時(shí)，電流不超過(guò)30 mA；第三，驗(yàn)證ARM識(shí)別人聲和呼吸氣流聲；第四，在靜電強(qiáng)磁、高低溫（60 ℃/-30 ℃）環(huán)境下，驗(yàn)證系統(tǒng)能否正常工作；第五，開(kāi)啟30 h時(shí)間連續(xù)工作模式，驗(yàn)證電池電量消耗總時(shí)間。搭建通話系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)景，搭建模擬人聲測(cè)試環(huán)境，提供MIC?Phone音頻輸入信號(hào)，給主、副通話系統(tǒng)供給3節(jié)干電池，利用LeCroy示波器對(duì)電路模塊主要信號(hào)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，輔佐儀器有Fulke?15B萬(wàn)用表、靜電槍、高低溫循環(huán)設(shè)備等，限于研究成果進(jìn)展，對(duì)通話系統(tǒng)電路模塊作如下實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析。如圖5和圖6所示，對(duì)麥克風(fēng)MIC分別輸入人聲和氣流聲時(shí)，DSP輸出、聲源放大器AMP以及輸入電流的變化。圖5中，MIC輸入人聲時(shí)，通過(guò)輸入電壓波形跳變，ARM控制DSP輸出處理后的人聲，DSP輸出后，功放打開(kāi)，對(duì)人聲進(jìn)行放大。圖6中，當(dāng)MIC輸入為呼吸和氣流聲，此時(shí)MIC輸入平均電壓Umean=752 mV，通過(guò)ARM對(duì)輸入聲源的判別，即電壓有無(wú)明顯變化來(lái)判別人聲和呼吸氣流聲。從圖6可以看出，聲源放大芯片使能電平?jīng)]有跳變，沒(méi)有對(duì)該聲源信號(hào)進(jìn)行放大處理，此時(shí)關(guān)閉放大模塊，電流為5.1 mA（小于30 mA），依舊處于低功耗模式。

DSP對(duì)聲源信號(hào)的處理效果圖如圖7所示。如圖8所示為聲源輸入輸出波形圖。從圖7和圖8可以看出，DSP消噪效果較好，工作電流低于200 mA。圖8中，MIC輸入平均電壓Umean=1.945 3 V，輸入電流Imean=61.5 mA，Speak輸出Umean=1.003 V，且Speak與MIC紋波峰值減小751 mV-318 mV=433 mV。可以看出，Speak輸出聲源得到了有效的消噪和抗干擾處理，且工作時(shí)平均電流僅為61 mA，處于低功耗工作狀態(tài)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文實(shí)現(xiàn)了一種基于ARM和DSP的控制防毒面具無(wú)線遠(yuǎn)程通話系統(tǒng)，彌補(bǔ)了在該領(lǐng)域里無(wú)法有效通信的問(wèn)題。文中以抗靜電強(qiáng)磁干擾、低功耗和耐高低溫為標(biāo)準(zhǔn)，采用低功耗高效率輸出的集成芯片，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)現(xiàn)了對(duì)聲源信號(hào)的有效處理，提供了一種在安防領(lǐng)域的有效無(wú)線通話系統(tǒng)，解決了佩戴防毒面具人員不易通話問(wèn)題。可應(yīng)用于軍工、消防等安防領(lǐng)域；在應(yīng)用場(chǎng)景、性能和效率等方面具有一定實(shí)踐價(jià)值。

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