基于SOPC的数字对讲机协议的实现_图文

1、理论与算法电 子 测 量 技 术第 34卷 第 2期 基于 SOPC 的数字对讲机协议的实现 *陈金榜 石江宏 张贻雄(厦门大学信息科学与技术学院 厦门 361005摘 要 :dP M R 协议是国 际上比较成熟的公众数字对讲机协议。详细介绍了基于 sopc 的思想 , 实现 dPM R 对讲机 系 统 , 即通过用 户自定义 IP 实现 dPM R 数 据链路层功能及物理层控制 , 使用 M icro blaze 实现 dPM R 呼叫 控制层功能 及 键盘 , T FT 显示等外设控制。关键词 :数字 对讲机 ; SO PC; 嵌入式系统 ; IP 核 中图分类号 :T N 929. 5

2、文献标 识码 :ADesign and implement of digital interphone system based on SOPCChen Jinbang Shi Jianghong Zhang Yixiong(Sch ool of Information Science an d T echnology, Xiamen University, Xiamen 361005Abstract:DP M R is an internatio na lly mutur e digital r adio prot ocol. T his paper presents a metho d t

3、o implet ment dPM R system based on SOP C. T his system uses customized I P core to r ealize the function of data link layer and the contr ol o f phy sical layer , w ith the call co nt ro l lay er implemented by M icr oblaze. Besides, M icro blaze ex ecutes the contr ol o f keyboar d and tft display

4、.Keywords:dig ital interphone; SPO C; embedded system; I P Core *基金项目 :福建省重大专项项目资助 (2009H Z0003 10 引 言2009年底 , 工业和信息化部发布了 666号文件 , 规定 2016年模拟对讲机完全退出国内市场。这一通知的发布 , 预示了数字对讲机广阔的应用前景。目前实现对讲机的主 流方案有 ARM 单片集成 , 通过 ARM 实现对讲机协议 , 语 音解压缩和外设控制。但其语音解压缩耗费 ARM 大量资 源 , 解压缩效果不好。还有使用 DSP+MCU , 通过 DSP 实 现语音压缩编码及数据链路

5、层处理 , 用 MCU 实现呼叫控 制层协议及外设控制 , 这种方案采用的 MCU 性能不够强 大 , 支持的外设较简易 , 系统的拓展性较差。而本文使用 SOPC 技术实现点对点的公众对讲机协议 , 将协议的实现 分为软件处理和硬件处理两部分 , 发挥了软硬件的各自优 势 , 且易于系统后期软硬件升级 , 同时也为公众对讲机协议 的专业集成电路设计 (A SIC 提供参考。1 数字对讲机协议简介目前国际上比较成熟的数字对讲机协议标准是欧洲电信标准化协会 (ET SI 制定 的 dPMR 和 DMR 协议 标准。 DM R 主要面向公安、 警用、 消防等高端用户 ; dPMR 主要面向工地、

6、小区保安、 娱乐、 餐饮等一般商业用户, 用户群相对 比较庞大 , 又称为公众数字对讲机。 dPM R 协议可以分成 3层结构 , 采用通用的分层结构 , 自底向上分别为物理层、 数据链路层、 呼叫控制层。其框图如图 1所示。图 1 dP M R 协议结构物理层主要支持在物理媒介上传输比特流所需要的全部功能 , 包括调制与解调 , 射频特性选择等。数据链路层主 要负责处理共享信道的数据 , 实现的功能包括信道编解码 , 交织、 去交织和比特排序 , 确认及重发机制 , 信道接入控制 及管理等。呼叫控制层提供的服务有呼叫建立、 呼叫保持、第 2期呼叫中止、 单呼和群呼的发送与接收等 1。2 dP

7、M R 数字对讲机系统的实现 本文基于可 编程 片上系 统 (system on a programm able chip:SOPC 架构 , 实现 dPM R 数字对讲机系统。可 编程片上系统是 1种特殊的嵌入式系统 :它具有灵活的设 计方式 , 可裁减、 可扩充、 可升级 , 并具备软硬件在系统可编 程的功能。本设计采用 Xilinx 公司的 FPGA 器件 XC3S1800a, 其 内嵌高性能处理器 M icroBlaze, 它是 1款由 Xilinx 公司开 发的嵌入式处理器软核 , 采用 32位 RISC 优化结构 , 用以开发 基 于 Xilinx 的 FPGA 平 台 的 可 编

8、程 片 上 系 统 2。 Xilinx 提供的嵌入式开发套件 EDK 已提供了一些常用的 嵌入式外设控制 IP, 如 DDR 、 Flash 、 GPIO 等, 我们可以根 据实际需要 , 在 M icroblaze 总线添加这些外设 IP, 或者根 据自己需要定制并添加自定义 IP, 从而实现可编程片上系 统的设计 3。我们的系统框图如图 2所示。 图 2 dPM R 数字对讲机系统M icroblaze 负责主控制模块 , 它通过软件实现呼叫控 制层功能 , 包括呼叫建立、 呼叫保持、 呼叫中止、 单呼和群 呼、 目的寻址以及实现外设键盘显示等外设的控制。而数 据链路层处理模块是挂载 M

9、icroblaze 总线上的 IP 模块 , 用 来实现协议的链路层功能 , 包括语音包 , 数据包的接入 , 信 道控制信息的信道编解码 , 帧和超帧的建立跟同步 , 信道接 入管理及数据包差错重传机制的实现等 , 及实现与射频芯 片的通信及控制。物理层 主要是 通过 A DI 的射 频芯片 ADF7021来 实 现 , 它 是 1款 低 功 耗、 高 集 成 度 2FSK/3FSK/4FSK 收发器。它能工作在 80650MH z 和 862940M H z 多个频带。它同时提供高斯滤波器和升余弦滤 波 器 选 项 以 便 为 窄 带 应 用 提 高 频 谱 效 率 , 并 具 有 12.

10、 5kH z 、 18. 75kH z 和 25kH z3种可编程带宽 4。对于 DDR2及 Flash, 可直接使用 EDK 工具提供的控制器进行 控制 , 其中 DDR2使用 mpm c 控制器 , FLA SH 使用 xps _m ch_emc 控制器。而对于键盘及 TFT 显示 , 本系统使用 用户自定义 IP 进行控制。 2. 1 呼叫控制层协议的实现呼叫控制协议利用有限状态机的设计方案进行描述和 实现。当 信道空 闲时 , 主叫方 首先 输入单 呼号码 , 按下PTT , 当收到对方应答信号时 , 进入单呼发话状态。每一次 发话都有时间期限 , 如果超时 , 需重新松开 PT T

11、再按下PTT 才可以进行通话。当松开 PT T , 或是通话时间超时 , 或是对方按 下结束 请求时 , 呼 叫终止。其状 态图如 图 3所示。图 3 主叫状态机转 换当信道空闲时 , 主叫方输入组号码 , 按下 PT T , 不需要 收到应答帧 , 直接进入组呼发话状态 , 当发话的过程中 , 当 收到紧急插入请求帧时 , 主叫方退出组呼发话状态 , 进入组 呼被叫状态。在组呼时, 任意用户组叫时 , 都有时间限制 , 如果超时 , 则结束通话 , 需松开 PTT 再重新按下 PTT , 才 可以继续进行组呼。其状态图如图 4所示。图 4 被叫状态机转 换当对讲机发送短消息或其他数据包时 ,

12、 如果是组发数 据包时 , 就不需要应答信息 , 如果是单发数据包时 , 需要被 叫方返回应答信息。在程序的设计过程中加入了定时器。为节省频率资 源 , 呼叫控制层加入了通话限时功能 , 在通话限时开始后 , 需要启动定时器计时。定时器到时后产生中断 , 执行终止 通话操作。各状态 (除待机状态 一旦处于等待下一步动作 的状态时 , 需要立即启动定时器进行超时判断。例如 , 发起 呼叫状态通过定时器检测对方应答时间 , 超时则返回待机 状态 5。在用户界面 , 对讲机的本机地址使用 7位十进制数字 表示 , 一台对讲机可以拥有一个或多个组地址。拨号时 , 末 四位的一位或者多位使用 *号 ,

13、比如 12345*7就表示被叫 方为 1234507、 1234517、 1234527, , 1234597这 10个号 码。 7位呼叫码在发给下层时 , 需转换为 24bit 的空间接口第 34卷地址码 , 如用户拨打的号码为 K 1K 2K 3K 4K 5K 6K 7, 其中后 4位中的 * 代表 10, 其空间接口码十进制值 B 2=K 1 1464100+K 2 146410+K 3 14641+K 4 1331+K 5 121+K 6 11+K 7。 将 B 2转换成二进制即为 24bit 的空间 接口地址码。2. 2 数据链路层协议的实现数据链路层在 dPM R 系统中 , 主要

14、负责的是与呼叫控 制层交换控制信息 , 与用户进行数据包及语音包交换 , 信道 接入管理, 确认重发 , 对信令信息进行信道编解码及相应成帧处理等 6。数据链路层 IP 模块 7 13的框架如图 5所示。 图 5 数据链路层 IP 模块信道信令管理模块主要是从呼叫控制层 , 用户数据管 理模块 , 差错重传模块中获取控制信息 , 生成相应信道信令 及头帧、 尾帧等。比如 , 从呼叫控制层获取主叫及被叫 ID, 信道频率选择信息 , 通信模式 , 数据类型等 ; 从用户数据管 理模块获取数据类型 , 数据块大小等 ; 从差错重传模块获差 错信息及数据块接收情况。信令编解码主要是对信道信令的数据进

15、行信道编解 码 , 主要有 :FEC 、 CRC 、 汉明、 正反交织及扰码。dPM R 系统中 , 数据链路层主要的传输基本单位是帧 , 分别有头帧、 尾帧、 负载帧、 超帧。其中超帧由 4个负载帧 组成。每个帧里都包含有相应的信道信息。数据链路层通 过不同帧之间的组合和关键位的设置 , 通知对方完成呼叫、 通话、 拆线等个过程。成帧 /解帧模块负责传输帧的生成及拆解。发送时 , 成 帧模块将编码过信道信令与用户数据进行组合并加上相应 的同步码生成数据传输帧 , 或是将编码过的信令与同步字 相结合 , 生成呼叫请求帧、 呼叫应答帧等。解帧的时候 , 解 帧模块根据同步码判断传输帧的类型 ,

16、进而分拆出里面的 信令信息块及数据信息块。信道接入模块管理模块主要是进行信道监听接入管 理。协议里规定了两种接入准则 , 即有礼貌接入和不礼貌 接入。不礼貌表示对讲机如果要发送数据时 , 不管信道是 否忙是否空闲 , 一律选择强制插入。礼貌表示信道内如有 数据传送 , 则等其数据发送完再发送。协议中没有强制规定各种数据业务应该遵守哪些规则 , 让设备制造商自己选 择需要的准则。我们这边选用礼貌接入。当对讲机处于群 呼状态时 , 每次语音帧的传输会有时间间隔限制。在这段 空闲的间隔时间内 , 被叫用户可以发送紧急插入请求 , 当主 叫收到之后 , 需要让出信道。用户数据管理模块负责与用户数据源进

17、行数据交互 , 并将要发送的数据属性发送给信令管理模块 , 用于生成信 令信息。同时 , 模块还需对特定数据类型进行编解码并且 检测数据接收状态 , 并将相应差错信息传给差错重传模块。差错重传模块负责单呼时 , 数据帧的有效传输。当对 讲机处于被叫时 , 对讲机对发送过来的信令信息及数据信 息进行解码检错 , 如发现有误时 , 差错管理模块就通知信令 管理模块发送 N ACK, 如正确则发送应答确认 ACK 。如果 对讲机处于主叫时 , 模块还负责对接收过来的应答帧进行 判断 , 看是否数据发送成功。 2. 3 外设接口Microblaze 是通过挂载在总线上的 TFT 外设控制器 来对 T

18、FT 进行控制。总线上的外设控制器可以根据需要 , 选择相应的设备主从特性。由于我们将 T FT 显存设置在 DDR2上 , 所以我们设置 T FT 控制器为主设备类型 , 让控 制器周期性的 从 DDR2读取显存 数据 14。同 时 , 我们将 TFT 控制器加入从设备特性 , 方便处理器对 T FT 控制器 的控制寄存器进行读写。通过控制寄存器 , 处理器可以设 置显存的地址 , 工作状态等。系统使用的是常见的 4 4矩阵键盘。 M icroblaze 通 过挂载在总线上的键盘控制器实现对键盘信息的读取。键 盘控制器通过常用的行扫描法对按键状态进行识别 , 当发 现按键状态有变化且非抖动时

19、 , 便向处理器发送中断信息 , 让处理器读取相应键盘信息。AMBE 接口主要负责语音压缩 AM BE 1000芯片的控 制。 A MBE 1000芯片有两个接口 , 一个是信道接口 , 一个 是 A D/DA 接口。信道接口有并口模式跟串口模式 , 他们 都能工作于主动模式与被动模式。信道传送的数据格式有 帧格式和非帧格式。并口模式只工作于帧格式 , 串口模式 可以工作于两种格式。这里使用的被动并行帧格式的通信 模式。通信模式的选择是通过管脚 CH _SEL2:0来配置 的。信道传送的 帧包含帧信息位 和语音数据 位 , AM BE 1000根据信息位里的 ID 值执行不同功能。功能除了语音

20、 传送 外 , 还 有 对 AM BE 1000的 配 置 , 如 语 音 速 率 配 置等15。RF 接口主要是负责数据链路层与 ADF7021的通信 , 通信接口包 括控 制接口 与数 据接 口。控 制接 口是 通过 GPIO 来对 ADF7021的控制寄存器进行配置 , 主要有调节 发射和接收射频频点 , 发射和接收功能选择控制 , 振荡器参 数控制 , 调制方式的选择 , 发送和接收时钟设置等。而数据 接口是通过 SPI 通信模式来与 A DF7021进行数据交换 , 其 中时钟信号由 A DF7021提供 , 控制接口的 SWD 管脚提供第 2期接收数据流的同步信息 , 通信收发模式

21、的转变只需重新配 置 ADF7021的 0号控制寄存器。3 结 论本文介绍了基于 SOPC 的公众数字对讲机协议的实 现 , 在 Xilinx 软核 M icroblaze 基础上 , 根据 dPM R 对讲机 对外设的要求 , 在 M icroblaze 总线上添加数字对讲机系统 所需要 的外 设 IP, 如 T FT 显 示、 按 键、 DDR2等。对于 dPM R 协议的数据链路层 , 其主要功能包含信道编解码、 成 帧、 信道接入控制等 , 这些基本上属于算法简单、 但计算速 度较高的处理 , 非常适合于 FPGA 的实现 ; 而对于呼叫控 制层 , 采用 Microblaze 软件处

22、理的方法 , 实现呼叫建立、 保 持、 终止 , 数据业务及外设控制等 , 这样充分发挥软硬件的 各自优势 , 提高系统效率。参 考 文 献1 ET SI T S. Electr omag netic co mpatibilit y and r adio spectrum matters (ER M S. Belg ium, 2010.2 张春生 . 面向 SO PC 的 IP 核设 计与 I P 复 用技术 研究 D.长沙 :国 防 科技 大学 信 息与 通信 工 程系 , 2006: 10 11.3 X ilinx Co rp. M icro blaze processor r efer

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