毕业设计（论文）-雷达模拟机专用数字电话设计.doc

外文翻译资料译文部分雷达模拟机专用数字电话设计摘 要每年，我国都要大量购买民航客机。飞机数量的快速增长能带动我国国民经济的增速，但也给空中交通管制带来不小的压力。为支持民航空管的发展，加快现代空管系统建设的步伐，民航局从资金和政策上都给予了大力的支持：2012年空管系统批复项目114项，总投资98亿。其中，空管设备的采购和升级费用占总资金的绝大部分，而空管设备中，空管数字电话系统投入的资金也非常大。空管数字电话系统是为地面管制员和飞行员之间通话提供服务的设备，它担负着地地通信、地天通信的职责，并负责相应的逻辑数据的处理和保存。目前我国各地空管部门普遍使用的内话系统是drake公司的drake-4000双子星内话系统。该系统能满足我国民航空中管制的要求，但是其整体造价非常之高。为此，项目采用高端音频编解码芯片AMBE-1000作为核心芯片，ATMEGA64单片机作为中央控制器，RS485设备作为通信枢纽，设计一种成本低廉、维修方便的新型数字内话设备以替代drake-4000内话系统。项目首先进行了硬件的初步设计，使用protel99SE软件绘制电路原理图和PCB板图，制成电路板后对其进行硬件功能测试和软件编程。结果显示，系统能够较好的实现语音质量和长时间的稳定性，达到设计预期的效果，在雷达管制模拟机和真实空中管制中都具有一定的应用价值。关键词：雷达管制专用数字电话；AMBE-1000；protel99SE；ATMEGA64AbstractIn recent years, Chinas annual airliner in buying large quantities. The rapid growth of the number of aircraft can drive the growth of our national economy, but also to the air traffic control is not a small pressure. To support the development of civil aviation management, modern air traffic control system to accelerate the pace of construction, funding and policy from the Civil Aviation Authority have given strong support: 2012 ATC system approved 114 projects, total investment of 9.8 billion. Among them, the air traffic control equipment procurement and upgrade costs accounted for the vast majority of funds, and air traffic control devices, digital telephone system ATC investment funds is also very large.ATC digital telephone system for ground controllers and pilots to provide services calls between devices,it bears to communicate,to-day duties of communication and is responsible for the corresponding logical data processing and preservation.At present our countrys air traffic control department within the words commonly used system is the drake-4000 Geminis internal telephone system.The system can meet the requirements of Chinas civil aviation air traffic control,but the overall cost is very high.To this end, the project uses high-end audio codec chip AMBE-1000 as a core chips,ATMEGA64 microcontroller as the central controller,RS485 device as a communications hub, to design a low cost, easy maintenance within the new digital equipment to replace words within drake-4000 telephone system.Project first conducted a preliminary design of the hardware,the software used protel99SE draw schematic and PCB board,after the board made its functional test hardware and software programming.The results show that the system can achieve better voice quality and long-term stability,to achieve the desired effect design in the radar control air traffic control simulator and the real in all have a certain value.Key Words： special digital telephone for Radar control；AMBE-1000；protel99SE；ATMEGA64目 录摘 要IAbstractII目 录III第一章 引言31.1 课题背景31.2 课题设计难点与解决方案31.3 国内外相关产品现状31.3.1 IBM ViaVoice31.3.2 采用专用的语音编解码芯片31.3.3 采用DSP芯片31.3.4 国内主流产品介绍31.4 系统方案选择3第二章 AMBE语音编码技术32.1 语音信息数字化处理过程32.2 语音压缩编码算法的发展过程32.3 几种语音压缩编码算法32.3.1 PCM波形编码32.3.2 线性预测LPC技术32.3.3 混合编码器原理32.3.4 多带激励MBE编码及AMBE算法3第三章 系统硬件方案设计33.1 系统总体设计33.2 系统工作原理33.3 语音编解码芯片选型与介绍33.3.1 AMBE-1000工作流程33.3.2 AMBE-1000通信方式的设置33.3.3 编码速率的选择33.3.4 回声抵消33.3.5 语音激活检测（VAD)33.3.6 双音多频的检测和产生33.3.7 常规能耗模式和节能模式33.4 微型控制器电路33.5 AD/DA转换电路33.6 模拟音频放大电路33.7 485通信电路33.8 电源设计3第四章 系统软件方案设计34.1 单片机开发环境介绍34.2 单片机初始化配置34.2.1 单片机定时器初始化配置34.2.2 单片机串口通信初始化配置34.3 AMBE1000初始化配置34.3.1 AMBE1000电源模式配置34.3.2 AMBE1000功能模式配置34.4 AMBE-1000数字语音压缩比设计34.5 单片机与AMBE-1000通信程序设计34.5.1 信息帧格式34.6 选择呼叫功能介绍34.6.1 选择呼叫通信协议3第五章 系统调试与性能测试35.1 PCB制板35.2 硬件焊接35.3 硬件调试35.4 性能测试35.5 可靠性分析35.5.1 硬件可靠性分析35.5.2 软件可靠性分析3结 论3参考文献3致 谢3附录A：程序3附录B：外文翻译资料3外文翻译资料译文部分31第一章 引言1.1 课题背景近年来，我国民航运输业发展迅速，从每年购买飞机数量的增幅上就可见一斑。2012年我国购买民用飞机200余架，而2013年预计将购买350架。虽然我国大量采购民用飞机，但是飞机总数和美国相比，差距还很大。截至2012年年底，中国民航共有飞机3238架，其中通用飞机只有1154架；但美国拥有民用飞机32万多架，通用飞机有23万多架。由此可见，两国飞机数量相差悬殊。虽然中国民航比美国起步晚几十年，但是随着低空开放被提升至国家发展战略高度以及我国国力的日益增强，相信在2050年我国民用飞机数量将超过美国。民航发展，空管先行，促进民航快速健康发展就必须更加重视对空中交通的管制工作。为了提高我国空中交通管制能力，中国民航于2005年完成北京、上海、广州三大区域管制中心的建设工程，总投资22亿元；于2009年，又建成成都区域管制中心，工程总投资8.7229亿元。在总的资金中，采购空中管制设备和空管模拟训练机的金额占绝大多数。空管模拟训练机是基于计算机仿真技术、电子和机械技术等实现的，逼真地模拟出空中交通管制的实际环境，得到优异的训练效果。国内外这类模拟机的研究己达到一定水平，其模拟程度完全能够满足空中交通管制学员学习、训练的要求。目前国内研发的空管模拟训练机也有多种，较为成熟的是雷达管制模拟机，比较知名的是四川川大智胜软件股份有限公司研制成功DRS-2000雷达管制模拟机。图1-1 DRS-2000雷达管制模拟机雷达管制模拟机是近些年来兴起的新一代模拟训练系统，专用于培训民航空中交通管制人员。该系统能较好的模拟出真实的塔台空中管制环境，达到我国民航空中交通管制工作的各项规范要求，因而满足民航培训的实际需求，迅速培养和提高相关人员的雷达管制技能。采用雷达管制模拟机进行训练，学员无需在真实的塔台环境下进行，因而不会影响飞行安全。同时它不受航班时刻的限制，可以随时安排训练。同时雷达管制模拟机允许教官手动改变各种管制状况，可以锻炼管制人员的应变能力。空管数字电话系统是雷达管制模拟机的重要组成部分，是空中交通管制工作中万万不能离开的通信设备。该设备是管制员和飞行员之间联系的枢纽，用来实现“地对地”、“地对空”之间的通信。最初的空管内话系统是使用基于模拟电路技术的内话设备,这种设备占据市场多年。模拟电话设备有很多的不足：语音的音质较差；查询和检索较难；保存难度较大。随着机场航班起降数量剧增，空管部门也应配套更多管制席位和更优异的电话设备，以满足正常的飞行安全。为此，各地空管部门对语音电话设备提出了更高要求，传统的模拟内话设备己不能满足需求，因此国内外空管设备公司都在研发并推广基于数字通话技术的新一代空管语音电话系统。1.2 课题设计难点与解决方案 语音信息是模拟信号，为了实现语音信息的数字化控制盒传输，就必须进行模数转换，也就是常说的A/D转换。在实际使用中，为了尽可能的保证语音的音质清晰，一般选用高精度A/D转换芯片，并使用较高的采用速率来采样。但是因此而产生的数字语音数据非常大，对数据传输的可靠性和准确性都产生很大的影响。在保证语音音质清晰的前提下，为了有效减少数字语音的数据量，一般可以采用如下三种方式：选用的A/D转换芯片的精度尽可能的低；使用较低的采用速率来采样；选用高精度A/D转换芯片，并使用较高的采用速率来采样，但是对采样的数据进行压缩编码处理。这三种方法中，第三种方法允许选用高精度A/D转换芯片，并使用较高的采用速率来采样，从而音质有保证；同时数据经过压缩后的体积很小，因此传输效果也很好；而且，压缩编码的数据通过解码之后还能完好的保存语音信息。因此，选用专用的数字语音编解码芯片可以有效解决本课题的设计难点。1.3 国内外相关产品现状空管数字电话系统采用数字电路技术，将先进的语音压缩编解码技术和微型控制器技术结合起来，通过对数字编解码芯片的软硬件控制，使得传统模拟电话语音通话的失真、不易存储等问题迎刃而解，并易于组建大型电话机网络交互系统，这是传统模拟电话所不能比拟的。现在可行的数字化语音系统方案很多，从事这方面的研究也越来越深，国内外都提出了自己的数字化语音系统解决方案。总体来说，数字化语音系统的实现方式主要有以下几类：采用计算机声卡和上位机软件处理。由于计算机声卡购买方便、使用稳定；计算机主频高，计算速度快，因此这种方法在语音编解码中优势明显。该类产品中最典型的就是IBM ViaVoice。图1-2 IBM ViaVoice图片1.3.1 IBM ViaVoiceIBM ViaVoice是IBM公司自主开发的具有13项发明专利的高性能语音系统，主要由声卡、上位机程序组成。该系统具有口音适应和语音文字录入功能。只要电脑接收到语音信息，系统自适应用户的口音，并将模拟语音转换成文字信息录入到word中。该系统具有一定的使用价值，但由于计算机体积较大、成本较高，操作系统易于被病毒和木马攻击，因而在雷达模拟机中较少使用。1.3.2 采用专用的语音编解码芯片其优点在于通过专用的语音编解码芯片对语音进行编码和解码，速度较快、准确率高，从而使得系统不仅满足通话和存贮的要求，同时具备一定的逻辑控制能力，使用时更加灵活方便。1.3.3 采用DSP芯片DSP芯片功能强大，速度较高，可以使用它对语音进行硬件编解码。这种编解码方式较为灵活，编解码的速度也较快，具备较强的控制功能。但由于DSP芯片的价格较高，开发难度较大，对程序的可靠性要求很高，因而本方案很少被采用。1.3.4 国内主流产品介绍国内使用较多的数字电话设备是drake公司的drake-4000双子星内话系统。该系统能满足我国民航空中管制的要求，但是由于其价格极高，一套系统造价上千万，一个管制中心需要几十套甚至几百套该设备；同时该内话设备存在售后服务不健全、产品维修复杂等问题，给现在各个民航空管单位带来不便。图1-3 drake-4000双子星内话系统1.4 系统方案选择通过多种方案的对比，本系统采用AMBE-1000专用数字语音编解码芯片和ATMEGA64单片机来制作雷达管制模拟机专用数字电话，不仅成本较低、性能较好，而且维修方便，非常适合国内市场需求。第二章 AMBE语音编码技术2.1 语音信息数字化处理过程语音信息是模拟量，对其数字化处理就是将其转变成易于编解码的数字量。为了将模拟语音信号变为数字信号，必须经过采样，从而得到离散的数字信号。采样之后要进行量化,即将采样值转换成相应的数字量，量化的过程称为模/数转换(A/D转换)。模/数转换后即得到数字的语音信号，可进行处理和传输。相反的，由数字语音信号重还原出模拟语音信号的过程称为数/模(D/A)转换，数/模转换后还需要经过进行滤波和放大才能得到理想的语音信息。语音数字化处理过程如图2-1所示。图2-1 语音信号数字处理的一般过程2.2 语音压缩编码算法的发展过程语音信号是一种时变信号，它可以近似看成由许多振幅和相位都随时间变化的正弦波构成。我们可以用语音的采样波形来描述语音信号，也可以用一些语音信号的特征来描述语音信号。语音压缩算法的发展经历了以下几个阶段:波形编码、参量编码及二者相结合的混合编码；此外还有此基础上发展而来的新兴的MBE(AMBE)算法。波形编码是将时域信号直接变换成数字信号进行传输，也就是说这种编码是将语音信号作为一般的波形信号来处理，力图保持重建的语音波形与原语音波形一样。这种编码方式的特点是适应能力强，重建语音信号的质量高，但是编码速率高,编码效率低。参量编码，是提取信号的特征参量并将其变换为数字信号进行传输,在接收端恢复出特征参量,并由特征参量重建语音信号的一种编码方式。这种方式在提取语音特征参量时,往往会利用某种语音生成模型在幅度谱上逼近语音,以使重建语音信号有尽可能高的可懂性,即力图保持语音的原意,但重建语音的波形与原语音信号的波形有相当大的差别。当前,由参量编码和波形编码相结合的混合编码器正收到人们较大的关注。这种编码方式能在4Kb/S-16Kb/S中低编码的速率上得到高质量的重建语音。它既具备了声码器的利用语音生成模型提取语音参数的特点，又具备了波形编码的优化激励信号，使其与输入语音波形相匹配的特点。11985年,美国麻省理工学院的D.W.Griffin提出了多带激励MBE(Multi-BandExcitation)的概念。这是一种相对独立的，基于频谱拟合的分析方法。它将语音谱按各基音的谐波分成若干子带，对各子带分别判别清/浊音，然后再根据各子带的清/浊音的情况采用不同的激励信号.最后，将各子带信号相加形成全频带信号。采用MBE算法的声码器具有计算简单，编码速率低和具有较好的自然度和炕环境噪声的能力。2.3 几种语音压缩编码算法2.3.1 PCM波形编码早期语音信号的传输和处理都以模拟方式进行，自从本世纪30年代提出脉冲编码调制(PCM)理论后，语音信号处理进入数字化时代。PCM叫做脉冲编码调制，是把模似信号转变成数字信号的一种编码方式。通常，PCM波形编码包括采样、量化和编码等几个步骤。PCM编码的原理是，首先对模拟信号进行采样，得到在时间上离散的信号，采样后的数据应能完全保留原模拟信号的全部信息，也就是能从采样的离散数据中不失真地恢复出原始模拟信号。然后将采样脉冲值按一定的单位用四舍五入的办法进行量化分层，使信号在取值上离散化成有限个取值状态。量化的间隔可以相等，也可以不等，对应的量化分别称为均匀量化和非均匀量化。最后将量化后的抽样值用二进制(或多进制)代码表示，发送时代码用一定的脉冲序列代替。这个抽样量化编码过程即称为模拟信号的脉冲编码。2图2-2 PCM系统原理图2.3.2 线性预测LPC技术线性预测技术又叫线性预测分析、线性预测编码。线性预测技术是维纳(Wiener)1947年首次提出的，他建立了与人的声道模型类似的一种模型，认为声道是一种时变的线性系统，短时间段内参数是固定不变的。实际情况是语音本身是连续时变的过程，还有极少数的瞬变音存在声道与激励源（声门）二者互相耦合的情况，所有这些均会使线性预测分析带来误差。但实际应用中，模型参数的误差不大，分析计算简单，速度快，计算所得的数据量少，因而现已广泛应用到信号处理的各个领域。线性预测指的是用过去样点的线性组合来预测未来的样点，通过对实际语音抽样和线性预测抽样之间的最小均方误差逼近处理，能够得出唯一的一组预测系数，就可以用模型参数来描述信号。32.3.3 混合编码器原理研究表明,声码器语音质量差的问题不在于声道模型参数不精确，而在于忽视了激励信号。为此，混合编码器在保留现有声码器技术的基础上，引用高质量波形编码准则来优化激励信号，从而提高语音质量。目前较成功的混合编码方案有：多脉冲线性预测编码MP-LPC、规则脉冲激励线性预测RPE-LPC以及码激励线性预测CELP。42.3.4 多带激励MBE编码及AMBE算法多带激励MBE模型是一个频域模型，它按基音各谐波频率将一帧语音的频谱分成若干个谐波带，分别对各带进行浊音/清音(V/U)判决，总的激励信号由各带激励信号相加构成。对于浊音带，用以基音周期为周期的脉冲序列谱作为激励信号频谱；对于清音带，则使用白噪声谱作为激励信号频谱。这种模型使得合成语音谱同原语音频谱在细致结构上能够拟合得很好，更符合实际语音的特性，其合成端的语音质量必然也就较高。AMBE语音压缩编码算法(Advanced MBE)是基于MBE(Mult-i band excitation speech model)算法基础上的语音压缩算法。这种算法提出了一种基于频域的、新的语音信号产生模型即多带激励模型。在低码率(2.44.8 kb/s)时，合成的语音质量比传统声码器好得多。这种模型使得合成语音谱同原语音频谱在细致结构上能够拟合得很好，更符合实际语音的特性，其合成端的语音质量也就较高。其基本方法为：首先将输入的每帧160个数字话音取样点分成交迭的段，经模型后得出该帧的模型参数。编码器量化这些模型参数，加上纠错码，然后以2.49.6kb/s的数据流发送。解码器接收比特流，再重构模型参数，利用这些参数产生合成语音信息。AMBE算法的实现分为5步：模型分析、量化、纠错、重构、合成。5AMBE编解码流程图如图2-3所示。图2-3 AMBE编、解码算法流程图第三章 系统硬件方案设计3.1 系统总体设计本系统核心编解码芯片选用AMBE-1000，微型控制器选用ATMEGA64单片机，通过外围A/D、D/A转换电路实现对音频信号的编解码处理。系统硬件框图如图31所示。图3-1 系统硬件结构基本框图3.2 系统工作原理空管数字语音电话是实现空中交通管制的地地通话和地空通话的语音通讯设备，在空中管制中起到非常重要的作用。地地通话指的是塔台内部通话，一般由地面数字交换机负责桥接多路数字电话设备，从而实现电话间选择呼叫的作用。而地空通话指的是塔台与飞机通话，一般由地面和机载的甚高频信道收发机进行语音的交互，然后传输给地面数字电话设备，交换机桥接多路数字电话设备，从而实现地空通话的选择呼叫作用。无论是地地通话还是地空通话，输入到数字语音电话设备的信号都是模拟语音信号。在本系统中，模拟语音信号首先经过滤波、放大电路处理，再经A/D转换后由AMBE-1000芯片编码。语音编码单元以20ms为一帧对输入的数字音频进行压缩,压缩比为40:1,形成2.4kb/s的压缩语音。ATMEGA64单片机读取AMBE-1000编码后的数据，通过485通信方式发送交换机。交换机将数据发送给通话中的其他电话设备，并存储通话数据。在通话中的另一台电话中，单片机读取交换机发来的数据，通过控制AMBE1000解码单元恢复出模拟语音，经放大、滤波后发送至语音输出设备。3.3 语音编解码芯片选型与介绍在数字电话系统中,语音编码解码是其中的核心部分,在本设计中选用的是DVSI(数字语音系统公司)生产的一种语音编解码芯片AMBE-1000。图3-2 AMBE-1000引脚图3.3.1 AMBE-1000工作流程AMBE-1000最基本的组成部分就是一个编码器和一个解码器，两者相互独立。编码器接收8KHZ采样的语音数据流（16bit线性，8bit A律，8bit U律）并以一定的速率输出信道数据。相反，解码器接收信道数据并合成语音数据流。编码器和解码器接口的时序是完全异步的。AMBE-1000输入输出的语音数据流的格式必须是相同的（16bit线性的，8bit A律，8bit U律），信道接口采用8位或16位的微控制器。芯片可选择的功能包括回声抵消、VAD（语音激活检测）、电源模式、数据/前向纠错速率的选择等，这些功能由外围管脚或输入到解码器的命令帧来决定。6 图3-2 AMBE-1000基本工作流程图3.3.2 AMBE-1000通信方式的设置AMBE-1000具有并行/串行、主动/被动、帧格式/非帧格式的组合共8种工作方式，但常用的是并行被动帧格式和串行被动帧格式这两种工作方式。AMBE-1000的工作方式是通过引脚 CH_SEL2（pin98）、CH_SEL1（pin99）、CH_SEL0（pin2）的电平来设置的，逻辑关系如下：表3-1 AMBE-1000通信方式硬件配置表CH_SEL2CH_SEL1CH_SEL0串并行方式主动/被动000并行被动001并行主动010串行主动011串行被动1XX串行被动本系统通过硬件设置引脚 CH_SEL2（pin98）、CH_SEL1（pin99）、CH_SEL0（pin2）均为低电平，从而设置通信方式为并行被动方式。3.3.3 编码速率的选择AMBE-1000中语音编码率和前向纠错编码率的选择可以是独立的。这些码率可以通过命令帧的方法配置，也可以通过硬件管脚BPS-SEL3-0(pin 3，4，5，6)来配置。这四个输入管脚BPS-SEL3-0给出了15种预设的声音/FEC编码速率。语音和FEC的编码率可以独立地以50bps的间隔配置。本系统通过硬件设置引脚BPSSEL3-0(pin 3，4，5，6)为（0,1,1,1），从而设定系统语音速率为4550bps，与单片机通信波特率为4800bps。表32 硬件语音和FEC速率选择BPSSEL3 (pin 3)BPSSEL2 (pin 4)BPSSEL1 (pin 5)BPSSEL0 (pin 6)语音速率总速率00002400 bps2400 bps01012350 bps00013600 bps3600 bps10113350 bps11103750 bps4000 bps00114800 bps4800 bps01114550 bps00103600 bps10002550 bps10104150 bps6400 bps10014400 bps7200 bps11007750 bps8000 bps11014650 bps01009600 bps9600 bps01104850 bps3.3.4 回声抵消AMBE-1000提供5ms的回声抵消能力而且抵消回声的能力近似达到30db或者更高的水平，这对由2线和4线混合电路引起的本地回声的抵消是很有用的。3.3.5 语音激活检测（VAD)AMBE-1000 的语音激活算法和舒适噪声插入（CNI)的功能，是为了满足系统在对话中对长时间的静音进行转换以达到节省系统带宽和功耗的要求而设计的。3.3.6 双音多频的检测和产生AMBE-1000可以检测、合成双音多频音。编码器检测到双音多频就置位帧格式输出中的双音多频检测标志位。另外，编码器还能带内传输双音多频数据（标准的声音数据位)，这样双音多频音就能无缝的从编码器传输到解码器用于合成。3.3.7 常规能耗模式和节能模式当AMBE-1000长时间处于不工作状态时，有通过两种低功耗模式来达到节能的目的，通过硬件或者软件的方法均可以进入低功耗模式。低功耗模式下，A/D-D/A端口都被禁止掉，同时停止任何方向的声音帧的处理。要返回到正常的工作模式，AMBE-1000可以通过一个激活命令帧或者硬件复位来完成。3.4 微型控制器电路本系统采用ATMEGA64单片机作为微型控制器。ATmega64是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega64 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。AVR内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接与算逻单元(ALU)相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的数据吞吐率。ATmega64是一个功能强大的单片机，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。7图3-3 ATMEGA64架构图图3-4 ATMEGA64单片机电路图3.5 AD/DA转换电路CSP1027是朗讯公司生产的一款高精度线性音频编解码芯片，符合ITU-TG.712语音频带技术规范，可将输入的模拟语音信号转为16bit数据输出,或将输入的16bit数据重建为模拟语音信号输出。CSPIO27可编程特性都是通过直接软件操作寄存器来实现的，编码解码器的数字输入输出使用I/0接口来传输。该芯片可编程设置输入采样频率，采样频率可高达24KHz；并自带麦克风前置放大器、输出放大器，可编程设置输出增益在0dB至45dB（3dB间隔）。芯片采用LQFP48封装，标准16位串行接口，可与AMBE-1000直接连接。8图3-5 CSP1027电路图3.6 模拟音频放大电路LM4890是一款主要为移动电话和其他便携式通信设备中的应用而设计的音频功率放大器。在5V直流供电下，它可以将1W的功率连续平均功率输出到8Q的BTL负载上，且总的谐波失真小于1%。音频功率放大器是为使用尽可能小的外部组件来提供高质量的输出功率而专门设计的。 LM4890不需要外部的耦合电容或者自举电容，所以非常适用移动电话和其他低压应用，这些应用中的主要要求是功耗尽可能小。LM4890包含一个特殊电路用来消除从开启到关断转换时产生的噪音。图3-6 LM4890电路图3.7 485通信电路常见的串行通讯标准接口有三种，分别为 RS-232、RS-485和RS-422。最开始使用的接口标准为 RS-232，但由于其传输距离相对较短，波特率低，对于长距离、高波特率的数据传输需求已经不能满足，故在其基础上提出了新的接口标准，即 RS-422 和 RS-485 接口。RS-485 通过平衡发送和差分接收方式实现通信，其中差分信号+2V+6V 表示低电平，-6V-2V 表示高电平，发送与接收的过程实际上就是串口 TTL 电平差分再还原的过程。传输线路在没有特殊要求的情况下通常采用普通的双绞线。采用差分传输的方式，可以有效地避免共模干扰。理论上 RS-485 最长传输距离约为1200米，但实际上不能达到；最大传速率为 10Mb/S，并且传输速率与传输距离成反比。因此，为了实现长距离传输，要在传输线路中增加中继器来对信号进行放大。线路最多可增加 8 个中继器，使传输距离达到最高值。系统通过485总线实现电话机与上位机之间的通信，本设计中采用两片MAX487来实现485收发通信。其中一片设置成收模式，一片设置成发模式，从而实现485通信的收发冲突问题，使得通信更稳定可靠。9图3-7 MAX485电路3.8 电源设计考虑到系统选用的芯片均为5V供电，所以选用5V开关电源模块HKS05003来设计电源电路。模块输入电压：DC12-42V，输出5V 3A，优点如下：1、效率非常高，满载无需外接散热器2、接线超级简单，类似78053、宽电压输入，大电流输出，7805远远不及的4、内置电感、肖特基二极管、灌封胶密封，稳定性极高实际应用环境中存在着许多不小的瞬变脉冲，这些瞬变脉冲会影响到数据的传输，甚至伤害互连的设备，为了能够在高速现场总线通信得到无错误的数据传输，必须要对这些干扰进行处理。本系统中采用双电源供电以及光电耦合器隔离，从而保证485网络通信的稳定性，解决485传输的电磁干扰和共模干扰问题。图3-8 电源电路图第四章 系统软件方案设计本系统采用ATMEGA64单片机作为微型控制器，采用C语言编写单片机程序。单片机主要完成系统初始化配置、控制AMBE-1000编解码、读取并发送AMBE-1000处理过的语音数据、接收交换机发来的语音数据并还原成模拟语音等功能。软件流程图如图4-1所示。图4-1 系统软件流程图4.1 单片机开发环境介绍ATMEGA64单片机有多种开发环境，例如ICCAVR、AVR Studio、IAR For AVR等，并各有千秋。本系统采用ATMEL AVR Studio 集成开发环境和C语言编辑器WinAVR完成单片机程序开发。图4-2 ATMEL AVR Studio欢迎界面ATMEL AVR Studio 是ATMEL公司自主开发的完全免费的汇编级开发调试软件，它集成开发环境包括汇编编译器、串行和并行下载调试功能、 JTAG 在线仿真等功能。其编写、编译程序的功能仅能针对汇编语言程序。为了实现ATMEL AVR Studio对C语言的支持，本课题还使用WinAVR作为AVR Studio软件的C语言编辑器。 4.2 单片机初始化配置由于系统中需要使用ATMEGA64单片机的串口通信、定时器等功能，所以在单片机中需对其进行初始化配置。4.2.1 单片机定时器初始化配置MEGA64单片机具有两个8位定时器和2个16位定时器，本系统中采用16位定时器TC1定时。单片机的定时时钟源通常有两种：内部定时时钟源和外部定时时钟源，且这种选择用户是可编程的。如同计数器一样，定时器的初值、定时器的工作状态和定时器溢出中断等，用户都是可以进行控制的。本系统中MEGA64单片机采用外部14.7456M晶振作为外部时钟源，通过设定单片机定时器初值和分频系数，得到所需的定时时间。定时器程序及注释如下：/-定时器初始化-void Timer1_init(void) /CTC模式 TCCR1B=0x00;/先停止定时器1 TCNT1H=0xFF;/设置计数初始值 14745600/1024/200 TCNT1L=0xB8; OCR1AH=0x00;/不使用输出比较匹配 OCR1AL=0x00; OCR1BH=0x00;/不使用输出比较匹配 OCR1BL=0x00; TCCR1A=0x00; TCCR1B=0x05;/启动定时器1。使用1024分频 TIMSK = (1TOIE1); 4.2.2 单片机串口通信初始化配置ATMEGA64单片机具有两个串口，在本系统中全部使用。USART0用作单片机调试使用，USART1用作单片机与交换机通信使用。本系统中单片机通信波特率选择为38400bps。配置程序如下：void uartinit(void) /初始化设置,波特率38400 9600*2*2 UBRR0H=0;UBRR0L=47;UCSR0A|=(1RXC)|(1U2X);UCSR0B|=(1RXCIE0)|(1RXEN0)|(1TXEN0);UCSR0C|=(1UCSZ01)|(1UCSZ00); UBRR1H=0;UBRR1L=47;UCSR1A|=(1RXC)|(1U2X);UCSR1B|=(1RXCIE1)|(1RXEN1)|(1TXEN1);UCSR1C|=(1UCSZ11)|(1UCSZ10);SREG |= 0X80;4.3 AMBE1000初始化配置本系统中，已通过通过硬件设置AMBE-1000的通信方式是并行被动方式，波特率为4800bps。除了配置AMBE-1000的通信方式外，还需对其电源模式、功能选择等进行配置。配置方式是通过单片机发送信息帧给AMBE-1000。帧格式是由17个16位字组成的数据格式。每20ms编码器接收17个字。输入的帧格式帧头5个字由header,ID,status这3个部分组成。剩下的12个字由编码数据位组成。4.3.1 AMBE1000电源模式配置AMBE-1000可以使用硬件和软件的方法来配置A/D-D/A接口，本文采用软件方式配置。当命令帧中ID=0x03时，使用者能直接控制AMBE-1000的SIOC(串口寄存器)来配置A/D-D/A接口。比如VAD使能，回身抵消使能，编解码样式以及非帧格式的同步。要使用ID=0x03值来配置AMBE-1000的功能时，AMBE-1000必须先进入标准休眠模式。AMBE-1000进入该模式的方法有：上电复位或者发送一标准休眠模式的命令帧，本文采用单片机控制SLEEP_EN管脚电平变化来实现。4.3.2 AMBE1000功能模式配置可选择的功能包括回声抵消、VAD（语音激活检测）、电源模式、数据/前向纠错、配置外部A/D-D/A等。本文主要采用AMBE-1000配置外部A/DD/A的功能。解码器用Header信息来标识一帧的开始，这个16位字必须是0x13ec。AMBE-1000芯片是基于ID值来执行不同的功能的，ID是帧输入第2个字的高8位。ID值不一样，那么对控制信息和声音数据的解释也不一样。ID控制功能如下：表4-1 AMBE-1000芯片ID控制功能介绍ID功能0x00语音数据0x01波特率设置0x02输入/输出增益和静音阈值配置0x03A/D-D/A,VAD（语音激活检测）,Echo Canceller(回声抵消)0x04低功耗模式命令帧格式0x06双音频信号的生成 0xFE激活命令帧 本系统采用AMBE-1000配置外部A/D-D/A，所以应先通过单片机向AMBE-1000发送控制帧，帧头0x13ec，ID位为0x03，具体程序和注释如下：void AMBE_Init (void) RESETN_1; /标准休眠模式配置 SLEEP_1; /标准休眠模式配置 RESETN_0; /标准休眠模式配置delay_1ms(25); /标准休眠模式配置 RESETN_1; /标准休眠模式配置 tx0 = 0x13 ; tx1 = 0xec ; tx2 = 0x03 ;/ 选择AD/DA功能 tx3 = 0x00 ;/ tx4 = 0x03 ; / AD/DA时钟选用外部晶振8M的十分之一 tx5 = 0xc8 ; / AD/DA 单位采用16位数据输入输出 tx6 = 0x00 ; / 2 16位AD/DA tx7 = 0x00 ; tx8 = 0xff ; / 3 tx9 = 0xfd ; tx10 = 0x40 ; / 编码数据位 tx11 = 0x24 ; tx12 = 0x80 ; tx13 = 0x04 ; /30M:15 8M:4 tx14 = 0xd0 ; tx15 = 0x00 ; tx16 = 0x1e ; tx17 = 0xc4 ;/ a0 aux in c0 mic in 4 cko2=2M for (i=18;i34;i+) txi = 0 ; 4.4 AMBE-1000数字语音压缩比设计本系统输入的语音信息是模拟量，如果要进行数字化传输，就必须经过A/D转换。本文选用的A/D转换芯片是16位的CSP1027，该芯片采样速率为8K/S，因此经过A/D转换后的语音比特流为64Kbps。在实际测试中得知，AMBE-1000压缩后的语音速率最低为4800bps时，语音清晰可辨，因此本系统设定语音压缩速率为4800bps。压缩比是指压缩前的数据量与压缩后的数据量的比值，因此在本系统中，压缩比为64K/4.8K，即13.3：1。4.5 单片机与AMBE-1000通信程序设计4.5.1 信息帧格式 下表显示了基本的帧数据格式，帧格式是由17个16位字组成的数据格式。每20ms编码器输出17个字。输出的帧格式帧头5个字由header,ID,status这3个部分组成。剩下的12个字由编码数据位组成。表42 基本帧输出格式单片机读取AMBE-1000数据并通过485总线发送至交换机中，详细程序如下：void DTMF_SENT (void) DIRCOUT; tx0 = 0x13; tx1 = 0xec; tx2 = 0x06; tx3 = 0x00; tx4 = r0_bufer2; tx5 = r0_bufer3; tx6 = r0_bufer4; tx7 = r0_bufer5; tx8 = r0_bufer6; tx9 = r0_bufer7; tx10 = r0_bufer8; tx11 = r0_bufer9; for (i=12;i34;i+) txi = 0 ; 4.6 选择呼叫功能介绍数字语音电话选择呼叫功能的作用是当进行地地通话或者地空通话时，无需电话设备长时间保持在线接听状态，当有电话接入时，选择呼叫以灯光和音响通知被呼叫方应答，从而进行联络。选择呼叫的好处很多，一是避免了单个设备长时间占用呼叫通道，造成其他设备无法正常通信的问题；二是能使每个电话设备有针对性的接听呼叫信号，避免收到干扰信息。对于地地通话，每个数字语音电话设备都有唯一的四字代码。当一个电话设备发出包含被呼叫方四字代码的信号时，交换机读取对方四字代码，并桥接这个两个电话设备，从而进行通信。对于地空通话，每架飞机的数字电话中都有一个特定的四字代码。当地面的甚高频系统发出包含被呼叫方四字代码的呼叫信号时，飞机收到这个呼叫信号后输入译码器，如果呼叫的代码与飞机代码相符，则译码器接通驾驶舱信号灯