（通信与信息系统专业论文）基于arm的无线对讲系统的设计与实现.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着城市化进程的快速发展，越来越多的高层建筑群被投入使用。由此， 家居、办公环境中火灾的发生也逐渐增多，正常的通信手段难以满足高层建筑 防灾救灾的通信需求。因此，建立高效、稳定、快速的应急通信系统显得尤为 重要。传统的有线应急通信系统抗摧毁的能力比较差，一旦被破坏，通信立即 中断而且很难恢复，而且通信质量得不到保障，达不到应急救援的目的。无线 应急通信系统则因具有较强的抗摧毁能力、组网灵活等优势，逐渐成为现代应 急通信的有效手段。在无线应急通信系统中，对讲机不受网络的限制，即使在 网络未覆盖的区域，也可以实现有效便捷的通信。 为了将对讲机通信集成到灾害应急保险舱中，提供统一的人机操作界面， 论文结合嵌入式l i n u x 系统特点，采用嵌入式技术实现了无线对讲系统。系统 采用高性能、低功耗的三星$ 3 c 6 4 1 0 作为系统的核心处理器；采用h k t - 8 0 芯 片作为系统的射频处理关键器件，通过异步串口通信，采用特定的a t 指令， 实现无线对讲系统有关参数的设置；利用q t ，设计实现了人机交互式界面。 论文首先阐述无线对讲机系统的研究背景与意义，以及对讲机系统的优势 和应用于本项目中的可行性。然后，针对实际项目需求并结合现有技术，完成 了系统的总体架构设计。依据电路设计以及器件选型原则，实现系统的核心芯 片选型和硬件电路设计。利用q tc r e a t o r 开发工具，实现了系统的软件设计和 界面的人性化设计，通过点击界面上的图标，实现相应的功能，包括一键呼救、 搜索等。基于嵌入式系统以及友善之臂公司t m y 6 4 1 0 ，完成了系统的编译、移 植，实现了系统的软硬件交互式操作。结合相应的测试环境条件，运用辅助的 测试工具，完成了完整的系统软硬件测试，测试结果表明：系统性能稳定，操 作便捷，用户体验良好，达到了项目预期效果。最后，论文总结了研究工作的 心得，并提出了下一阶段的工作方向。 关键词：对讲机，h k t - 8 0 ，q t ，嵌入式系统，a r m l l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f u r b a n i z a t i o n ，m o r ea n dm o r eh i g h r i s eb u i l d i n g s a r ep u tt ou s e t h u s ，h o m ea n do f f i c ee n v i r o n m e n tf i r ei si n c r e a s i n g ，a n dt h en o r m a l m e a n so fc o m m u n i c a t i o ni sv e r yd i f f i c u l tt om e e tt h eh i g h r i s eb u i l d i n g so f d i s a s t e r p r e v e n t i o na n dr e l i e fc o m m u n i c a t i o nn e e d s t h e r e f o r e ，i ti sp a r t i c u l a r l yi m p o r t a n tt o r e s e a r c ha n di m p l e m e n tt h ee f f e c t i v e ，r a p i da n ds t a b l ee m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n s s y s t e m f o rt h et r a d i t i o n a lc a b l ee m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ea b i l i t yo f a n t i - d e s t r u c t i o ni sp o o r e r o n c eb ed e s t r o y e d ，t h ec o m m u n i c a t i o ni si n t e r r u p t e da n d i t i sd i f f i c u l tt or e s t o r ei tq u i c k l y t h e r e f o r e ，i t sq u a l i t yi sn o tg u a r a n t e e da n do f t e nc a l l n o tr e a c ht h ep u r p o s eo f e m e r g e n c yr e s c u e t h ew i r e l e s se m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n s y s t e mb e c o m e st h ee f f e c t i v em e a n so ft h em o d e m e m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o n ；t h a ti s b e c a u s et h e r ei st h ea n t i - j a m m i n ga b i l i t ya n dn e t w o r k i n gf l e x i b l e i nt h ew i r e l e s s e m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ei n t e r c o mi sn o t1 i m i t e db yt h en e t w o r k i ta l s o c a nc o m m u n i c a t ee f f e c t i v e l ya n d c o n v e n i e n t l yw i t h o u tt h en e t w o r kc o v e r a g e i no r d e rt op u tt h ei n t e r p h o n ei n t e g r a t e dt oa h i g hd i s a s t e re m e r g e n c yi n s u r a n c e b a ya n dp r o v i d eau n i f i e dt h em a n - m a c h i n eo p e r a t i o ni n t e r f a c e ，t h ep a p e rr e a l i z e dt h e i n t e r c o me m e r g e n c yc o m m u n i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c so f 锄b e d d e d l i n u x t h es y s t e ma d o p t st h es a m s u n g $ 3 c 6 4 10a st h es y s t e mc o n t r o l l e r w h i c hh a s l l i g hp e r f o r m a n c ea n dl o wp o w e rc o n s u m p t i o n ；u s i n gh k t 一8 0c h i pa st h es y s t e mr f p r o c e s s i n gk e yd e v i c e ，t h es y s t e mr e a l i z e st h ei n t e r c o mp a r a m e t e rs e t t i n gt h r o u g ht h e a s y n c h r o n o u ss e r i a lc o m m u n i c a t i o n ；u s i n gq t , t h es y s t e mr e a l i z e st h em a n m a c h i n e i n t e r a c t i v ei n t e r f a c ed e s i g n f i r s t ，t h ep a p e re l a b o r a t e sr e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h ew i r e l e s s i n t e r c o ms y s t e m ，嬲w e l la st h ei n t e r c o ms y s t e m sa d v a n t a g ea n di ti sa p p l i e dt ot h e p r o j e c t sf e a s i b i l i t y t h e n , i nv i e wo ft h ea c t u a lp r o j e c tr e q u i r e m e n t sa n dc o m b i n e d w i t ht h ee x i s t i n gt e c h n o l o g y ，t h ep a p e rc o m p l e t e st h es y s t e mf r a m e w o r kd e s i g n o n t h eb a s i so fc i r c u i td e s i g na n dd e v i c es e l e c t i o np r i n c i p l e ，r e a l i z e st h e s y s t e mc o r e c h i ps e l e c t i o na n dd e s i g no fh a r d w a r ec i r c u i t u s i n gq tc r e a t o ri m p l e m e n t st h e s y s t e m ss o f t w a r ed e s i g na n dh u m a n i z e di n t e r f a c ed e s i g n i ta c h i e v e sc o r r e s p o n d i n g f u n c t i o n sb yc l i c k i n gt h ei c o no ft h ei n t e r f a c e ，i n c l u d i n gac a l lf o rh e l p s e a r c he t c h 武汉理工大学硕士学位论文 b a s e do ne m b e d d e ds y s t e ma n dt i n y 6 410 ，t h ep a p e rc o m p l e t e st h es y s t e mc o m p i l e r , t r a n s p l a n t a t i o n a n dt h e nr e a l i z e st h es y s t e mi n t e r a c t i v eo p e r a t i o n c o m b i n e d 、杭m t h ec o r r e s p o n d i n gt e s tc o n d i t i o n s ，t h ep a p e rc o m p l e t e st h ei n t e g r i t yo ft h es y s t e m h a r d w a r ea n ds o f t w a r et e s tb yu s i n gt h ea u x i l i a r yt e s t i n gt o o l s t h er e s u l t ss h o wt h a t t h es y s t e mh a ss t a b l ep e r f o r m a n c e ，c o n v e n i e n to p e r a t i o n ，g o o du s e re x p e r i e n c e ，a n d a c h i e v e st h ee x p e c t e de f f e c t f i n a l l y ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ew o r ke x p e r i e n c ea n d t h en e x tp h a s e sw o r kd i r e c t i o n k e y w o r d s ： i n t e r c o m ，h k t - 8 0 ，q t ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m 11 i l l 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与意义 目前，无论是在商务办公领域还是民用居住领域，大量高层、超高层建筑 陆续投入使用，于是人为的或意外原因导致的家庭居住、办公环境中灾害发生 的频率逐年升高，特别是高层建筑火灾的频繁发生。另外，据统计，近年来全 球进入了灾害多发期。面对这样的现实，与杭州某公司合作拟研发一款“商务 家用保险舱 产品。这款产品实现目标是不仅极大限度地保障生命财产安全，一 而且要在有限的时间内，及时的向外界求救。 一 我们知道在灾害面前，紧急危险时刻，时间变得十分宝贵。在这种情况下， 向外界及时沟通是有效脱离危险的手段之一。商务家用保险舱提供了用户在有 限时间内的生命、贵重财产的安全，但是在危险时刻和居住于相对高层，时间 总是非常宝贵的，怎样在最短的时间脱离危险是我们十分关心的问题。怎样保 证做到第一时间向外界求救，是整个保险舱智能电子系统必须考虑的问题 基于a r m 的无线对讲系统完全满足用户的诉求。其具有以下功能：在封 闭的环境下，能够实现与小区物业的通话；通过中控的液晶触摸屏来实现无线 对讲系统的基本功能，比如频率的设定、一键通话、扫描等；可以利用中控的 键盘操作完成系统频率的设定，一键通话，搜索和音量调节；在软件界面上设计 一个“一键呼救按钮，点击该按钮实现自动向小区物管部门报警，实现对预 设频率、预设亚音的对讲功能；在硬件上设计一个“呼救 按钮，按下该按钮 自动向小区物管部门报警，实现当下频率、亚音的通信。 无线对讲系统可以实现和小区物业部门通话、及时求救，保证在消防人员 到来之前的时间范围内的救援，尽可能地做到使用户损失的最小化，生命安全 保障的最大化。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外发展现状 伴随着手机和电脑的广泛使用，人们的生活也变得更加的便捷，但是这些 方式都需要依托通信网络，一旦通信网络出现故障，就会给人们带来各种不便， 尤其是当突发事件发生的时候，就存在着极大的隐患。在无线应急通信中，对 讲机通信又具有其他无线通信方式所无法替代的优势。它不受网络限制的，在 网络没有覆盖到的地区，也可以利用对讲机进行通信；提供的通信方式为：一 对一、一对多；对讲机的操作简单，特别是在紧急调度和集体协作的情况下， 可以节省大量宝贵的时间；通话成本较低【l 】。 目前，对讲机的应用日益普遍，并且伴随着科学技术的发展，数字对讲机 将逐渐取代模拟对讲机。数字对讲机拥有模拟对讲机无法比拟的优势：频带利 用率高；保密性好，语音信号被完全数字化处理，能更好的加入加密、解密技 术；音频质量得到提高等等。随着无线电通信技术的发展，人们对无线通信质 量要求的提高，另外，频谱资源日益紧缺，数字必然有更大的市场需求。 伴随着需求的增加，数字对讲机也面临着许多挑战，尤其在应急通信中， 许多技术有待提高1 3 】： ( 1 ) 高安全性：对讲机之间的信息完全依靠无线电波传输，很容易被空中 拦截，在通话状态、待机状态都有可能泄密。 ( 2 ) 高抗毁性：专业数字对讲机在使用过程中可能遇到人为因素的恶意破 坏或雨雪灾害等影响，导致网络不能正常工作。因此，未来应急通信系统要能 可靠、准确地提供业务，具有高的抗毁性和可用性。在遭遇危害的极端情况下， 系统以故障弱化方式或直通方式工作，保证系统能满足基本的集群业务需求。 ( 3 ) 环境适应性：要求通信装备必须能抗据恶劣条件，保证通话质量。 ( 4 ) 宽带业务：未来的应急通信业务，需要及时反映事发现场的真实情况。 仅有窄带的话音指挥调度已不能满足应用需要。新一代数字对讲机要能提供集 语音、数据、视频等于一体的业务。 1 3 主要研究内容 本项目是基于嵌入式技术开发与实现的，采用的操作系统是l i n u x 操作系 统，软件开发工具为q tc r e a t o r ，开发板为友善之臂t i n y 6 4 1 0 以及a tm e g a l 6 2 武汉理工大学硕士学位论文 单片机。首先在虚拟机中实现系统的预想功能，然后经过交叉编译后移植到 a r m l l 开发板上。在项目开发中，本人主要完成如下工作： ( 1 ) 结合用户需求和当前技术发展，完成系统功能、非功能性以及可行性分析， 完成系统的总体设计； ( 2 ) 根据系统的总体架构，划分系统功能模块，完成各功能模块核心芯片选型； ( 3 ) 针对核心芯片，完成无线对讲系统的硬件设计并进行相应的功能、性能测 试； ( 4 ) 利用g u i 开发工具q tc r e a t o r ，完成系统的软件设计和界面设计； ( 5 ) 系统的移植及调试。将p c 上的程序移植到a r m l l 开发板上，进行无线 对讲系统测试。并将系统安装在应急保险中，进行联合调试。 一 1 4 论文组织结构 论文共分六章，各章节安排如下： 第一章，绪论。这一章主要介绍课题研究背景与意义国内外研究现状现状、 论文主要研究内容以及论文结构安排。 第二章，无线对讲系统的总体架构。详细地分析了项目的用户需求，包括 系统的可行性、实现的功能性能等。针对用户需求，介绍了相关的理论知识， 为后面章节的详细设计做铺垫。通过需求分析给出解决方案，确立最终实现的 技术指标。最后，对系统的体系结构加以说明，包括物理结构、通信接口等。 第三章，无线对讲系统硬件设计与实现。主要包括硬件电路设计的原则， 硬件电路的方案选择、整体设计框图、核心芯片介绍及电路设计等。 第四章，无线对讲系统的软件设计与实现。主要是介绍软件开发环境及开 发工具介绍、软件设计思路、系统软件界面设计、结果展示。 第五章，无线对讲系统测试。主要是无线对讲系统的功能实现后，运用测 试知识，实现功能测试、单元测试、系统测试，并对测试结果进行分析。 第六章，总结与展望。主要是讲述本论文完成的工作和下一步的工作安排。 最后是致谢与参考文献以及在硕士期间发表的论文情况。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线对讲系统的总体架构 2 1 嵌入式技术概述 2 1 1 嵌入式的特点及优势 针对客户需求分析，不仅需要实现软件界面操作和显示，而且也要保证硬 件操作的顺畅，所以本项目是基于嵌入式系统开发完成的。 嵌入式系统包括两部分：硬件部分、软件部分。其中，硬件部分主要包括 微处理器、存储器、外设器件、i o 口等等；而软件部分则主要包括操作系统软 件和应用程序软件，操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互，应用程序控 制着系统的运行和动作【刀。嵌入式系统结构图如下： 功能层 软件层 应用程序 文件系统图形用户接口 任务管理 实时操作系统 中间层 b s p h a l 硬件抽象层板级支持包 硬件层 图2 - 1 嵌入式系统结构图 嵌入式系统不仅具有功耗低、结构小巧、专用性强等特性，还具有以下特 h 熙： 1 ) 可裁剪；2 ) 实时性较强；3 ) 统一的接口；4 ) 操作简单便捷，提供了 良好的图形界面和图形用户接口；5 ) 稳定性较强；6 ) 固化的代码；7 ) 良好的移植性。 基于嵌入式系统的上述优点，并结合项目的客户需求以及功能实现的 简便性，采用嵌入式系统。 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2a r m 处理器 a r m 处理器被广泛用于嵌入式系统设计，它是一个具有3 2 位元精简指令 集( r i s c ) 处理器架构。a r m 处理器特点： 1 ) 性能高、功耗低、体积小、成本低； 2 ) 支持1 6 位t h u m b 、3 2 位a r m 双指令集，较好的兼容8 位、1 6 位器 件； 3 ) 使用了大量的寄存器，指令执行的速度则更加地快速； 4 ) 寻址方式灵活简便，执行效率更高； 5 ) 在寄存器中完成大多数数据的操作； 6 ) 指令长度是固定的。 基于a r m 处理器的上述优点，本项目采用广州友善之臂公司的t i n y 6 4 1 0 作为嵌入式核心处理器，它是一款以a r m ll 芯片( 三星$ 3 c 6 4 1 0 ) 作为主处理 器的嵌入式核心板。该c p u 是基于a r m l l 7 6 j z f s 核而设计的，其内部集成 了比较强大的多媒体单元，支持h 2 6 3 h 2 6 4 、m p e g 4 等格式的视频文件的硬 件编解码，并且可以同时输出到t v 与l c d 显示；还支持2 d 图形图像的平滑 缩放、翻转等操作；并且带有3 d 图形的硬件加速器，用以实现o p e n g le s 1 1 & 2 0 的加速渲染。 t i n y 6 4 1 0 集成了1 2 8 m 2 5 6 md d rr a m ，s l cn a n df l a s h ( 2 5 6 m 1 g b ) 或者m l cn a n df l a s h ( 2 g b ) 存储器；采用5 v 电源供电，在板实现转换c p u 所需的各种核心电压转换；带有专业的复位芯片；通过2 0 r a m 标准间距的排针， 可以引出常见的接口资源n 鲥。 2 1 3 嵌入式l jn u x 操作系统 伴随着微处理器的出现，结构小巧、价格低廉的c p u 与外部设备连接 提供了稳定、可靠的硬件架构，硬件方面的技术已经非常成熟，不再是嵌 入式发展的阻碍。而限制嵌入式系统的发展则主要表现在软件技术方面。 虽然，已经出现了v x w o r k 、p s o s 、w i n d o w sc e 等嵌入式操作系统，但这 些都是商业化的产品，费用高昂并且源代码封闭，这极大的限制了它们的 使用范围。l i n u x 操作系统n 则是一个完全免费的操作系统，使用者可以 通过网络等方式免费获得，而且可以随意修改其源代码。 5 武汉理工大学硕士学位论文 嵌入式l i n u x 则是对l i n u x 经过小型化裁剪后，能够固化在容量只有 几百k 字节或几m 字节的存储器芯片或单片机中，应用于特定嵌入式场合 的专用l i n u x 操作系统。具有稳定、高效、易定制、易裁剪、硬件支持广 泛及免费开放源代码等特征。其组成的层次结构图为： 应用程序 文件系统 l i n u x 内核 引导程序 图2 - 2l i n u x 软件的结构层次图 综合客户对交互界面操作需求以及嵌入式l i n u x 操作系统的优势，本 项目采用l i n u x 操作系统。 2 2 无线对讲机系统 因为设计技术不同，无线对讲机n 8 3 被分为两种：模拟对讲机和数字对讲机。 分别介绍如下： 模拟对讲机是采用模拟技术进行通信的。它是把采样的语音信号经过无线 对讲机的传输信道进行通信的收发。尽管模拟技术的发展已日渐成熟，但是模 拟对讲机依然存在着许多不可忽视的缺点：1 ) 频带的利用率比较低；2 ) 通话 的语音质量低；3 ) 保密性较差；4 ) 通话的距离较短。从这些缺点可以看出，模 拟对讲机越来越不能满足现代应急通信的需求。 数字对讲机则是采用数字通信技术进行通信的。数字对讲机传输的全部调 制信号均是以数字的形式在传输频率上进行传输。它的调制方式为：首先把语 音信号转化成数字信号，再通过数字编码的方式进行传播。数字对讲机在一定 程度上弥补了模拟对讲机的不足和缺陷，这使得数字对讲机被广泛应用在应急 通信中。 通过上面关于对讲机工作原理的介绍，可以看出模拟对讲机与数字对讲机 的优劣势，而数字对讲机是未来对讲机发展的趋势。以上只是对对讲机有一个 初步的了解，而对对讲机做进一步的介绍是很有必要的，这样可以为读者对本 6 武汉理工大学硕士学位论文 文以下的论述做准备。下面就主要介绍对讲机的有关术语n 引，包括原理上的和 功能上的。 1 ) 一键通话：这一功能实现对讲机发射、接收状态的切换。 2 ) 频率设置：设定对讲机的发射频率以及接收频率，这是对对讲机工作频 率的在一定范围的调节。 3 ) 扫描：它主要是用来实现收听所有信道的通话的。一般的操作方式如下：， 按下“扫描”键，对讲机按照一定的顺序逐个信道接收一段时间，以便于接收 到信道中的信号。 4 ) 亚音：是一种把低于音频频率的频率( 6 7 2 5 0 3 h z ) 的信号附加于音频 信号中一起传输的技术。目的是，避免对讲机接收到不相干的信号，同时也起 到保密的作用。亚音【2 i j 分为模拟亚音( c t c s s ) 和数字亚音( c d c s s ) 。对讲 机把接收到的信号经过中频解调之后，亚音频的信号通过滤波、整形等处理， 再输入到c p u 中，通过和本机设定的亚音频比较之后，再决定是否打开静音。 5 ) 静噪级别：对讲机接收到的信号中信号的强弱与噪声的强弱呈对应的关 系：信号越强，则噪声越弱。把最小噪声和最大噪声之间分成若干档，每一档 称为一级，而分成的档数为静噪级数。 2 3 系统需求分析 针对用户需求，我们采用基于a r m l l 的嵌入式系统来开发产品。由理论 知识可知，嵌入式系统实现了软硬件的结合，它可以监视、控制或辅助装置、 设备运行。这符合我们的需要：中控系统用来控制、监视、辅助其他设备完成 相关功能的实现。采用a r m l l 处理器是因为其具有功耗低、性能处理能力强 等优势，是目前较常用的嵌入式处理器。以下是用户需求的详细分析： ( 1 ) 核心芯片的选型： 针对本系统应用于环境十分恶劣的情况下，核心芯片的选型应该考虑到各方面 的因素。由于本系统安装于非常密闭的保险舱中，所以核心芯片应该具有以下 特征： 1 ) 强穿透能力：在密闭的保险舱中，所选核心模块必须能够穿透保险舱和 普通的墙壁，才能被其他对讲机接收到信号，所以综合上述因素，所选对讲机 模块应该能穿透5 7 堵墙壁。 2 ) 传输距离应该不低于5 0 0 米：本产品面向的用户之一是居住于楼房高层 7 武汉理工大学硕士学位论文 的用户，所以传输距离也是必须要考虑的因素之一。 3 ) 频段范围：本系统是实现与小区物业部门的实时通话，所以应该考虑到 与小区物业所用对讲机的频率一致，民用对讲机的频段有4 0 9 段，4 6 2 段、4 6 7 段。另外，由于考虑到对讲机的加密性，所以应该考虑对讲机亚音频的加入。 结合实际和研发需要，所购设备的频段范围为4 0 0 _ 4 7 0 m h z 。 4 ) 接口：由于应急通信模块需与a r m l l 开发板通信，选择接口为：r s 2 3 2 串口。所以，所选核心模块应该有预留的通信接口。 ( 2 ) 天线与通信模块分离，天线容易安装至“猫眼”位置： 无线对讲机系统安装在密闭的保险舱内，而保险舱采用特殊的设备制成， 所以在很大程度上影响到通信系统的信号的发射和接收。而将天线安装在“猫 眼 位置在一定程度上减少了对天线信号发射和接收的影响。所以要求天线和 对讲机模块分离，利用引线连接它们。另外，由于保险舱舱门的厚度是2 0 c m 并且天线安装于此位置，能承受的温度应该高一些，所以，应急天线长度超过 1 0 c m 且有一定的耐温能力。基于以上，所选天线为鞭状天线。 ( 3 ) 基于核心芯片的外围电路设计： 在险情发生时，及时向外界求救显得尤为重要。在这种环境极其恶劣的情 况下，对核心芯片有极高的要求，而目前的对讲机的成品、半成品很难达到这 么高的要求。基于此，我们需要完成基于核心芯片的外围电路的设计，以满足 舱载智能电子系统中对核心芯片的要求。 ( 4 ) 无线对讲模块与开发板的通信： 采用9 引脚的r s 一2 3 2 标准接口，通过专用的串口连接线，实现二者之间的 通信。 ( 5 ) 无线对讲系统的操控软件的研发： 基于l i n u x 操作系统，q t ，c + + 编程语言，在中控液晶触摸屏上实现无线 对讲模块的以下功能的控制： 幻一键通话：按下即通话的功能。 b ) 设置工作频率、亚音：给对讲机设置新的工作频率、亚音频； c ) 扫描功能：扫描频道或信道是否有信号，如果扫描到就停下，询问是否 发起对话；没有就继续向下搜索。 d ) 调节音量：可以在不同的时刻调节对讲机模块的音量大小。 ( 6 ) 在软件界面上设计一个“一键呼救 按钮： 在中控液晶触摸屏上设置一个快捷的“一键呼救 按钮，按下该按钮调用实 8 武汉理工大学硕士学位论文 现快速通信的功能。 ( 7 ) 在硬件上设计一个“一键呼救”按钮： 利用中控的硬键盘作为对讲机应急通信系统的硬件操作界面。在硬键盘上 按下该按钮，并通过a t 相关指令和串口，把信号传输到中控系统，调用中控 界面上的“一键呼救”功能函数和相关算法，实现与小区物管部门的通信。 2 4 系统总体架构 2 4 1 系统模块划分 依据产品定位、研发目标和功能需求，按照功能明确、接口清晰、弱 连接耦合和可扩展性的原则，将无线对讲系统进行如下的模块划分： 应用层 接口层 系统层 图2 3 系统层次结构 系统分为三个层次：应用层、接口层、系统层。 系统层由软件和硬件组成：硬件是a r m ll 核心板；软件则包括l i n u x 操作系统和应用软件。应用软件又分为界面部分和逻辑部分。 外围电路是各种接口电路，第一代产品主要使用r s 一2 3 2 接口。 应用层为无线对讲系统的核心模块。 2 4 2 核心指标的确立 本系统的主要目标是实现上述需求分析中所提到的功能指标，当然这只是 本系统功能方面的体现。而本项目最终是面向产品化生产的，所以还要考虑到 后期产品的优化，包括硬件和软件方面，以及产品的稳定性和更好的用户体验 等等。 伴随着中国的城市化进程速度的加快，高层建筑也越来越多。而随之而来 9 武汉理工大学硕士学位论文 的高层建筑消防隐患也逐渐暴露出来。同时，我国的高层建筑发展相对较晚， 在高层建筑中火灾救援设备方面的研究比较少，到目前为止还处于起步阶段， 没有形成商业化的产品。但是，随着社会的快速发展，人们对生活质量提出了 更高的要求，而近年自然灾害、暴力犯罪频发，这也使得人们更加关注自身的 安全。而本项目正是基于人们这样的诉求而提出的，所以本项目的发展前景非 常乐观。 2 5 系统体系结构 通过对用户需求的详细分析以及保险舱设备所具有的特点，我们对应急通 信系统的整个体系结构也有了明确的设计方案，从而保证了应用的稳定性和安 全性。 2 5 1 物理结构 灾害应急保险舱是采用特殊材料制成的、并采用特殊工艺制成的全封闭“非 逃离式的产品。根据电磁场和电磁波的知识，我们知道由金属材料制成的全 封闭产品，信号是被屏蔽的，所以为了保证应急通信的顺畅有效，在舱壁上设 置一个耐高温材料制成的“猫眼”，通信天线安装在此处，便可以保证接收信号 的质量。天线安装位置如图2 - 4 所示。 说明： 1 ) 无线对讲机系统的天线安装在“猫眼”位置； 2 ) 无线对讲系统的硬件安装在中控位置，软件安装在中控系统中。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 o ，一、 ，+ 一 ， u 一 2 5 2 体系结构 f - 二o 7 一 ，。j _ 。 一“一， i t 团 - 猫鼹一 图2 - 4 系统物理结构 灾害应急保险舱，有两部分组成：舱体和智能电子系统。舱体用以保障人 们的人身安全，但是维持人正常的呼吸、与外界通信、舱内的照明等等，则需 要舱载电子系统来完成实现。结合上面的介绍，无线对讲系统需要电源系统以 及借助中控的软件界面和硬件按钮来实现正常的工作。具体关联图如下： 图2 5 应急通信系统与其他系统关联图 0 叫_ ，二一 。| | 一 ，一 。 一：1， 。 一二|j， 二一 j 了 气 一 ，：一 一：。 、：“。? 武汉理工大学硕士学位论文 图2 6 应急通信系统功能结构框图 整个无线对讲系统分六部分： 1 ) “一键呼救”模块： 中控电源开启时，对讲机模块处在开启状态，按下该按钮实现在预置语音 的求救报警功能。与之关联的模块有：中控，一键通话。通过调用一键通话模 块的通话实现函数以及中控内存中的语音信号，实现“一键呼救 。 2 ) 设置工作频率： 与之关联的模块有：一键通话模块。设置新的工作频率时，系统在后台自 动更新一键通话中的工作频率。可以直接输入所需频率值，也可以通过“+ “ 调节频率值。 3 ) 设置亚音频： 与之关联的模块有：一键通话模块。设置新的亚音频时，系统在后台自动更 新亚音频。可以直接输入所需频率值，也可以通过“+ “ 调节亚音频的值。 4 ) 一键通话模块： 按下此键，开启该模块，启用本模块中的通话实现函数，实现在某频率值、 某亚音频下的对讲功能。 t 5 ) 扫描模块： 与之关联的模块：一键通话。按下“搜索”按钮，启动扫描功能。如果扫 描到某频率时自动停下，会显示一个“确定 按钮：若点击该按钮，设置对讲 机发射、接收频率为当前频率；若在5 秒内没有触发该按钮，扫描继续向下进 行。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 6 ) 音量调节模块：根据实际的环境状况以及个人的因素，合理设置音量大小。 2 5 3 通信接口 通常，上位机是指能够直接发出操作控制命令的计算机，屏幕上显示各种 信号的变化。下位机是指能够直接控制设备、获取设备状况的计算机，通常是 指p l c 、单片机。上下位机通信的具体过程为：首先上位机向下位机发出命令， 下位机则根据命令解释为相应的时序信号，直接控制相应的设备；下位机不定 时的读取设备的状态数据，并将其转化为数字信号反馈给上位机【2 8 l 。 无线对讲系统通过r s 2 3 2 接口实现与中控系统之间的通信。同时，为了更 好的实现上位机主要负责界面部分和下位机主要负责控制部分的设计初衷，对 讲机的开关控制、“一键通话 、“扫描 功能等借助下位机来控制实现，通过导 线直接连接到下位机的i o 口来实现。 串 上下位 下位机预设指令 图2 7 系统接口关系图 针对本项目，t i n y 6 4 1 0 作为上位机，操作过程是这样的，用户在中控系统 界面上进行相关操作时，中控系统通过串口采用相关的a t 指令予以控制；当 应急通信模块接收外界信号时，接收信号通过串行口传输给中控系统，中控系 统相关操作并显示相关信息在中控系统的界面上。 下位机为a tm e g a1 6 单片机，它是基于增强的a v rr i s c 结构的低功耗8 位c m o s 微控制器。由于其具有的高性能，更好地减缓了系统在功耗与处理速 度上的矛盾。下位机操作过程是这样的：下位机通过相关代码来实现控制对讲 机模块的，再由上位机的界面操作来实现具体的功能。 由以上可知，无论是上位机与对讲机模块通信，还是上位机与下位机通信， 都要通过串口来实现，所以该接口在对讲机应急通信模块中起着非常重要的作 用。通过串1 2 1 与中控系统连接，实现对无线对讲系统的软件操作，并借助于中 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 控的液晶显示屏显示相关信息。 2 6 小结 本章主要是分析无线对讲系统的总体架构，针对用户需求及当前技术趋势， 认真地分析并提出了基于嵌入式的解决方案，并对系统的物理结构、体系结构 加以阐述。另外，本章还确立了系统的设计标准和目标，并介绍相关的理论知 识为后续做铺垫。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章无线对讲系统的硬件设计与实现 3 1 硬件电路设计原则 3 1 1 硬件电路设计原则 一般地，硬件电路的设计应遵循这样步骤和原则【3 0 】： 1 ) 认真分析设计的需求，从中得到电路功能模块和性能指标； 2 ) 根据需求分析指定总体设计方案，对核心芯片进行选型； 3 ) 对已经选定的核心芯片，选择与需求相近的成功案例作参考； 4 ) 对外设的功能模块进行选型； 5 ) 对选定的参考图外围电路进行修改优化，最后得到项目需要的设计图。 以上是硬件电路的一般设计思路。对于硬件电路设计还需考虑以下问题： 保证各模块资源不能冲突；在不增加硬件电路设计的难度的基础上尽量地保证 软件开发的方便，以较小的硬件设计难度换取更加可靠、高效的软件设计；功 耗问题，需要考虑芯片的最大功耗；散热问题，应在功耗和发热较大的芯片上 添加上散热片；可靠性及抗干扰性设计等等。 3 1 2 元器件选型原则 根据设计需求，需要对外设功能模块进行元器件选型，元器件选型需遵循 以下原则： 1 ) 普遍性。所选择的元器件应该是被广泛使用的芯片； 2 ) 高性价比。在性能、功能等相近的情况下，选择价格比较适中的产品，减 少硬件开发的成本； 3 ) 采购方便。选择容易购买到的且供货周期比较短的产品，节省项目开发的 时间； 4 ) 持续发展。选择在一定时间内不会停产的元器件产品； 5 ) 可替代。选择兼容种类相对较多的元器件产品； 6 ) 向上兼容。选择之前产品使用过的元器件； 武汉理工大学硕士学位论文 7 ) 资源节约。选择器件时，应该尽量兼顾到元器件的全部管脚和功能。 3 2 系统硬件平台 3 2 1 硬件平台 由需求分析和无线对讲系统的有关理论知识可知，搭建无线对讲系统硬件 平台的需求如下： 1 ) 核心射频模块、射频功放等接口。 2 ) 模拟音频信号输入和输出接口，即耳机和麦克风标准接口。 3 ) g p i o 引脚，需要通过g p i o 引脚与m c u 外部芯片连接等等。 4 ) 串口通信接口，例如r s 2 3 2 。 我们选用的尚瑞思科技公司的无线射频模块h k t - 8 0 芯片，它是一款功能 比较强大的模块，内置有高性能的射频收发芯片、微控制器和射频功放，完全 满足本系统的设计需要。在下面的章节中，会对该芯片做详细介绍。 3 2 2 成本分析 近年，随着集成电路技术的发展，出现了各种技术成熟的芯片可供选择， 但是本项目中对讲机应急通信系统应用在家用、商用保险舱中，有针对性和特 殊的用户需求，所以要针对项目需求而选择合适的芯片。另外，硬件电路的开 发不仅耗费时间，而且耗费精力，所以如果能找到技术成熟且费用合理的芯片 则可以大大降低开发的难度，同时又能缩短整体项目的开发时间。 对于面向产品化的项目研发，不仅要考虑到整个产品的研发时间以及产品 的性能等等，为后续的产品销售、售后服务做铺垫，还要考虑产品的成本。在 整体实现设计功能的前提下，适当地控制成本是十分必要的。而我们采用的 h k t - 8 0 射频模块，功能强大，价格适中，在一定程度上满足了产品化硬件电路 设计的需要。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 系统硬件总体框架 3 3 1 硬件电路方案选择 在灾害应急保险舱智能电子系统中，无线对讲系统需要在突发情况下与外 界及时通信，这就要考虑到时效性、稳定性。需要在很短的时间内与小区物业 取得通信，以便及时脱险，这是时效性的体现，所以在硬件上设置一个“键 呼救”快速求救按钮是十分必要的。同时，要考虑到通信的质量问题，在紧急 情况下，人往往会异常紧张，所以要保证对讲系统各功能的稳定性，以免产生 不必要的心理恐慌。 我们知道对讲机的基本功能有一键通话、频率设置、亚音设置、扫描、音 量设置等。基于本项目的客观需求以及用户对稳定性的要求，我们设计了实现 这些功能的硬件电路。通过大量阅读资料和硬件测试，我们采用基于h k t - 8 0 收发模块来设计完成项目需要的对讲机应急通信系统。 基于h k t - 8 0 收发模块，要设计一个完整的无线对讲系统，需要以下部分： 核心模块h k t - 8 0 ，音频输入部分，音频输出放大部分，天线，m a x 2 3 2 转换部 分。 3 3 2 系统硬件总体框架 该无线对讲系统的硬件部分，有收发模块，音频输入部分、音频输出部分、 通信部分组成。另外，整个系统的设计原则是上位机负责界面操作、下位机负 责设备控制，基于此，对讲机收发部分的一键通话控制、s q 脚的信号读取由下 位机控制，需预留两个硬件接口与下位机的i o 口连接，而上位机负责的对讲 机扫描、音量调节等功能需要借助串口实现，所以对讲机核心模块、上位机在 硬件上均需有串口接口。这样本着分工清晰、功能明确的原则，基于h k t - 8 0 和a r m l l 的应急通信系统的硬件设计框图如下： 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 i 外接天线p 1入 信号处理 斟三 l c d 显示i 音频输出 j 厂1 模块 按簇囊互矧杆电胁 h k t 一8 0 射频模块 ； 1 卜 音频输入 d 7 瓢7 i 电源管理肌 下位机 卜 w 信号处理 模块 模块w 图3 - 1 系统硬件电路设计框图 由上图可以看出，本硬件电路的设计，要考虑到以下几个问题： 1 ) 电源的供给，这是真个系统能否正常工作的关键之一： 2 ) 音频输入模块，要保证输入音频的质量，这是能否有效沟通的前提， 所以，如何更好的获得输入音频质量是这部分的关键； 3 ) 音频输出单元，保证获得的声音高清晰、大音量是这部分的关键： 4 ) 天线，这部分是对讲机能否接收、发射出信号的关键，以及发射、接 收距离的直接影响因素； 5 ) 与上位机部分实现通信的串口，这中间需要考虑到电平转换问题以及 有关参数的设置。只有二者实现了有效通信，才能对对讲机进行智能化 操作； 6 ) 与下位机的通信，需要考虑连接的稳定性和快速性。 3 4 核心模块 3 4 1h k t - 8 0 我们选择了h k t - 8 0 收发模块。模块可以在3 3 - 6 0 v 宽范围内工作，具 有较低的相位噪声和较快的锁相时间( 1 0 01 1s ) ，内部有晶体频率温度补偿电路。 模块具有基于数字信号处理技术的调频解调技术，而且发射调频增益数字可 调，具有较高的接收灵敏度(