周 雅,焦曉波

(1.許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,河南 許昌 461000;2.許昌供電公司電力通信中心,河南 許昌 461000)

一種基于MCU和DSP的防毒面具無線通話系統(tǒng)*

周 雅1*,焦曉波2

(1.許昌學(xué)院電氣信息工程學(xué)院,河南 許昌 461000;2.許昌供電公司電力通信中心,河南 許昌 461000)

針對當(dāng)前安防領(lǐng)域里防毒面具不易進(jìn)行有效通信問題,設(shè)計一種用于防毒面具的無線通話系統(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EFM32系列MCU、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。通過LeCroy示波器波形分析表明,該系統(tǒng)可識別人聲和呼吸氣流聲,最大工作電流Imean<200 mA,關(guān)閉聲源放大器時最大電流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。

無線通信;防毒面具;MCU和DSP;低功耗;音頻放大

眾所周知,防毒面具是防止有毒物質(zhì)傷害的個人防護(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的進(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]。

國內(nèi)外關(guān)于防毒面具通信問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,國外使用電聲放大器來進(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,不能長時間通話,因此也沒有得到較好的通信效果[1]。目前國內(nèi)外市場上防毒面具產(chǎn)品種類頗多,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實現(xiàn)此功能。

文獻(xiàn)[2]采用語音編碼和跳頻技術(shù)開發(fā)出一種防毒面具內(nèi)置的無線通話終端,此終端系統(tǒng)實現(xiàn)有以下難點(diǎn),第1,跳頻通信需采用合理的跳速和語音編碼速率才能確保具有良好的抗干擾性能;第2,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3,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。總之,這種無線通信終端雖可以解決短距離通信問題,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,對講機(jī)與防毒面具在設(shè)計上合為一體,會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),語音數(shù)據(jù)傳輸過程中容易丟失,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隙實現(xiàn)收發(fā)轉(zhuǎn)換,在射頻前端模塊能否實現(xiàn)全雙工對講沒有具體說明。

縱觀國內(nèi)外防毒面具的發(fā)展史,針對應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變,佩戴防毒面具不易通信問題,文中設(shè)計一種基于DSP和MCU的防毒面具無線遠(yuǎn)程通話系統(tǒng),用于佩戴防毒面具時進(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題;副通話系統(tǒng)與步話機(jī)連接,可實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信問題。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)防毒面具市場無專門通信解決方案。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

文章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)的防毒面具無線遠(yuǎn)程通話系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)以上目的,對防毒面具無線通話系統(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)、MCU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(Speaker)組成。副通話系統(tǒng)由麥克風(fēng)(MIC-Phone)、信號接口模塊、便捷開關(guān)按鈕、耳機(jī)接聽模塊、步話機(jī)組成。主副通話系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 主、副通話系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖1中,主通話系統(tǒng)主要為音頻放大器,可實現(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MCU、DSP和聲源放大模塊供電,MCU控制模塊監(jiān)控電源電壓工作狀態(tài),通過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)模塊對麥克風(fēng)輸入人聲信號進(jìn)行處理,再經(jīng)過聲源放大(Audio AMP)模塊進(jìn)行放大處理,最終輸出給揚(yáng)聲器(Speaker);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)和低電壓報警狀態(tài)。

副通話系統(tǒng)通過信號線與防爆型步話機(jī)連接,可解決遠(yuǎn)距離通信問題。信號接口模塊一方面是通過信號線連接步話機(jī)以便通訊,另一方面通過采樣電路使輸入語音信號最大限度無失真?zhèn)鬟f給對方;便捷開關(guān)是在信號線上安裝的步話機(jī)通訊按鈕,便于佩戴該防毒面具人員使用步話機(jī);耳機(jī)接聽模塊是指使用耳機(jī)接聽裝置能夠更清晰的接聽對方語音。

2 主模塊詳細(xì)設(shè)計與分析

2.1 電源模塊設(shè)計

如圖2所示,電源模塊電路設(shè)計圖。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 V～5.5 V,經(jīng)過限流保護(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MCU,另一方面提供4.5 V～5.5 V給MCU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可重置保險絲進(jìn)行過流保護(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MCU控制低電壓小于3.0 V時關(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。

圖2 主通話系統(tǒng)電源模塊電路設(shè)計圖

2.2 MCU控制電路設(shè)計

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,MCU選用Energy Micro公司基于32位ARM-CortexM3節(jié)能內(nèi)核的EFM32TG110F芯片[7],共有EM0～EM4 5種低功耗模式,EM2模式下,待機(jī)功耗僅需900 nA,相比傳統(tǒng)MCU具有更高的處理性能和更低能耗。可以由外部I/O、I2C通信接口等方式喚醒。主控制器MCU硬件電路設(shè)計如圖3所示。

圖3 MCU控制硬件電路原理圖

圖4 DSP和Audio AMP電路原理圖

EFM32TG120F工作電壓范圍1.8 V～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 bit ADC對電源輸入電壓VBT_IN(3.3 V～5.5 V)采樣監(jiān)控,在電壓小于3.0 V時,啟動軟開關(guān)關(guān)閉主通話系統(tǒng),同時啟動綠色LED(閃亮)進(jìn)入報警模式。ADC對DSP處理后的聲源信號采樣處理,辨別防毒面具內(nèi)部氣流聲和人聲,轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出,若為氣流聲,對此聲源不作放大處理,即輸出聲源放大使能信號(EN)為低電平。

2.3 DSP和聲源放大(Audio AMP)控制電路設(shè)計

防毒面具內(nèi)部安裝麥克風(fēng)(MICPhone),人聲通過麥克風(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[6],內(nèi)部集成高度優(yōu)化的數(shù)字信號處理器DSP和先進(jìn)噪聲消減算法,提升嘈雜環(huán)境下的語音清晰度和逼真度。聲源放大芯片采用TI公司TPA3015D1YZHR芯片[8],是一種2 W單聲道D類音頻放大器,具有在低電壓3.6 V時依舊可恒定輸出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)分析及可靠性驗證

文中提出了基于MCU和DSP的防毒面具無線遠(yuǎn)程通話系統(tǒng),對設(shè)計電路模塊提出以下測試標(biāo)準(zhǔn):第1,測試模塊輸入電壓紋波、效率以及輸入電流變化;第2,驗證低功耗工作模式。即在正常聲源放大狀態(tài),最大工作電流不超過200 mA,不開啟功率放大器時,電流不超過30 mA。第3,驗證MCU識別人身和呼吸氣流聲。第4,在靜電強(qiáng)磁、高低溫(+60 ℃/-30 ℃)環(huán)境下,驗證系統(tǒng)能否正常工作。第5,開啟30 h時間連續(xù)工作模式,驗證電池電量消耗總時間。如圖5所示,通話系統(tǒng)實驗測試場景,搭建模擬人聲測試環(huán)境,提供MIC-PHONE音頻輸入信號,給主副通話系統(tǒng)供給3節(jié)干電池,利用LeCroy示波器對電路模塊主要信號點(diǎn)進(jìn)行測試驗證,輔佐儀器有Fulke-15B萬用表、靜電搶、高低溫循環(huán)設(shè)備等,限于研究成果進(jìn)展,對通話系統(tǒng)電路模塊作如下簡要驗證分析。

圖5 通話系統(tǒng)實驗測試場景

圖6 MIC輸入為人聲

如圖6和圖7所示,對麥克風(fēng)MIC分別輸入人聲和氣流聲時,DSP輸出、聲源放大器AMP以及輸入電流的變化。如圖6所示,MIC輸入人聲時,通過輸入電壓波形跳變,MCU控制DSP輸出處理后的人聲,DSP輸出后,功放打開,對人聲進(jìn)行放大。如圖7所示,當(dāng)MIC輸入為呼吸和氣流聲,此時MIC輸入平均電壓Umean=752 mV,通過MCU對輸入聲源的判別,即電壓有無明顯變化來判別人聲和呼吸氣流聲。由圖7可以看出,聲源放大芯片使能電平?jīng)]有跳變,沒有對該聲源信號進(jìn)行放大處理,此時關(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。

圖7 MIC輸入為呼吸或氣流聲

圖9 聲源輸入與輸出波形

如圖8所示,DSP對聲源信號的處理效果圖。如圖9所示,聲源輸入輸出波形圖。由圖8和圖9可以看出,DSP消噪效果較好,工作電流低于200 mA。如圖9所示,MIC輸入平均電壓Umean=1.945 3 V,輸入電流Imean=61.5 mA,Speaker輸出Umean=1.003,且Speaker與MIC紋波峰值減小751 mV～318 mV=433 mV?？梢钥闯?Speaker輸出聲源得到了有效的消噪和抗干擾處理,且工作時平均電流僅為61 mA,處于低功耗工作狀態(tài)。

圖8 DSP聲源信號處理效果

4 結(jié)束語

對防毒面無線遠(yuǎn)程通話系統(tǒng)實現(xiàn)了一種基于MCU和DSP的控制,彌補(bǔ)了在該領(lǐng)域里無法有效通信的問題。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)過多次實驗證明,實現(xiàn)了對聲源信號的有效處理,提供了一種在安防領(lǐng)域的有效無線通話系統(tǒng),解決了佩戴防毒面具人員不易通話問題,可應(yīng)用于軍工、消防等安防領(lǐng)域,在應(yīng)用場景、性能和效率等方面具有一定實踐價值。

[1] 馮冬云,王勇. 國內(nèi)外防毒面具的應(yīng)用現(xiàn)狀綜述[J]. 安防科技,2012(3):30-35.

[2] 趙軍民,易平波. 一種基于防毒面具的通話系統(tǒng)[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù),2010(23):30-32.

[3] 朱良學(xué). 一種防毒面具內(nèi)置的數(shù)字對講機(jī)[P]. 中國:CN201120365193.2. 2011-09-28.

[4] 秦麗,潘峰,孟令軍. 面向聲定位的低功耗音頻信號采集系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 儀表技術(shù)與傳感器,2009(2):56-57.

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A Wireless and Low Consumption Call System for Gas Mask Based on MCU and DSP*

ZHOUYa1*,JIAOXiaobo2

(1.College of Electricity and Information Engineering,Xuchang University,Xuchang He’nan 461000,China;2.Power Telecommunication Center,Xuchang Electric Power Company,Xuchang He’nan 461000,China)

In view of the problem of difficulty in the gas mask communication in security field,a kind of wireless call system for gas mask was proposed based on MCU and DSP. By the standard of anti-interference,low power consumption and high and low temperature resistant,sound source is processed by EFM32 series MCU,BR261 series DSP and TP2015D1 audio amplifier,at last high quality audio signal is got. Experiments show that the system can recognize voices and breathing,the mean of maximum working current less than 200 mA. After closed audio amplifier,the maximum current less than 30 mA,it can meet the requirement of low power consumption,and output sound sources is stable and clear,and has a certain antistatic electric ability for strong magnetic interference.

wireless communication;gas mask;MCU and DSP;low power consumption;audio amplifier

項目來源:河南省教育廳科學(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項目(16A413013);河南省科技攻關(guān)項目(172102210465);許昌市科技發(fā)展計劃項目(1502094);許昌學(xué)院優(yōu)秀青年骨干教師項目

2016-04-27 修改日期:2016-06-08

TP273

A

1005-9490(2017)03-0727-05

C:7930;6130

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.042