基于ARM9的無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究

1、引言

在如今的信息時代，由于人們對系統(tǒng)性能和成本控制要求的不斷提高，嵌入式系統(tǒng)憑其優(yōu)良的性價比和獨特的便利性得到了越來越多的人們的青睞。無線電臺已經(jīng)由傳統(tǒng)的模擬式向數(shù)字化演進，由孤立系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)邁進。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展極大地推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。

隨著無線電臺技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的行業(yè)開始使用無線電臺，因為用無線電臺方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視與控制，相對于架設(shè)專用的電纜或光纜，具有造價低廉、運行可靠、維護方便等優(yōu)點[1]。無線電臺的使用從最早的按鍵電碼、電報發(fā)展到模擬電臺加無線MODEM、數(shù)字電臺和DSP及軟件無線電。數(shù)據(jù)傳輸速率從低速走到高速，傳輸?shù)男盘枏暮唵未a發(fā)展到遙控遙測數(shù)據(jù)、數(shù)字化語音、動態(tài)圖像等。無線電臺因其高穩(wěn)定性和高可靠性適用于各類無線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，尤其是應(yīng)用在輸油供氣管網(wǎng)監(jiān)測、城市防空報警控制、鐵路信號監(jiān)控、電力負荷監(jiān)控[2]、城市路燈監(jiān)控、鐵路供水集中控制、GPS定位系統(tǒng)、地震測報、污水處理、環(huán)境監(jiān)測等工業(yè)自動化系統(tǒng)。

2、系統(tǒng)概述

本文把嵌入式技術(shù)與無線電臺通信技術(shù)相結(jié)合，研究出一種新型的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器?？刂破鲀?nèi)的電路板是以arm9嵌入式微處理器為核心，對外提供多個接口，包括3個串口，小型的系統(tǒng)總線接口，以及非常豐富的常用嵌入式系統(tǒng)接口，如SPI x 1、I2C x 1、I2S x 1、AD x 2、PWM x 1 、USB Host、 USB Slave接口等，有了這些接口，我們可以根據(jù)需求拓展嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器的功能。在本系統(tǒng)中我們主要使用3個串口及以太網(wǎng)口。

該無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計的主要原理是：電臺接收對講機發(fā)出的語音信號并通過音頻電纜輸出到網(wǎng)絡(luò)控制器終端?？刂破鲀?nèi)的語音編解碼芯片負責把模擬的語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，控制器內(nèi)的軟件負責壓縮音頻數(shù)據(jù)，壓縮后的語音數(shù)據(jù)包通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器軟件根據(jù)一定的規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到其它網(wǎng)絡(luò)控制器終端。收到語音壓縮碼流的控制器負責解碼、D/A轉(zhuǎn)換，通過音頻電纜把語音信號輸入到電臺，最后無線電臺通過內(nèi)部的發(fā)射模塊將語音信號發(fā)送到對講機。這個過程實現(xiàn)了語音數(shù)據(jù)跨互聯(lián)網(wǎng)傳輸，用戶通過PC或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將控制指令發(fā)送到控制器終端。終端內(nèi)的軟件負責解釋指令并且通過串口將指令傳送給電臺。電臺再下達指令給各個被控制的設(shè)備，從而實現(xiàn)了對電臺及相關(guān)設(shè)備的遠程控制。

3、硬件設(shè)計

在分析了無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器工作原理的基礎(chǔ)上，我們對系統(tǒng)的子模塊和任務(wù)進行了整體設(shè)計。整個系統(tǒng)可以分成兩個相對獨立的部分來完成：無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器終端和服務(wù)器軟件?？刂破?將編碼后的g72x碼流發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)路由表信息，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到控制器2、控制器3、控制器4…控制器n，控制器與服務(wù)器之間采用TCP或UDP協(xié)議。無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

硬件設(shè)計除了核心板的選型外，主要是外部電路的設(shè)計。我們選擇了性價比比較好的SBC-2410核心板。外圍電路的設(shè)計主要包括音頻信號采集模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、串口控制電路等[3]，其中音頻信號采集電路我們選的是uda1341語音編解碼芯片，網(wǎng)絡(luò)控制器芯片我們采用的是cs8900芯片。

3.1 嵌入式核心板簡介

SBC-2410具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性，并且已經(jīng)應(yīng)用在多個設(shè)計中，基于可重用的思想，整個平臺承載ARM最精簡系統(tǒng)，把有用的信號線通過兩排插針引出去。無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器終端的具體應(yīng)用按照實際的需求進行設(shè)計，通過兩排插座與核心板相連[4]。

圖1 無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器結(jié)構(gòu)圖

3.2 語音芯片接口電路

由于S3C2410內(nèi)置的IIS總線接口能夠和其他廠商提供的多媒體編解碼芯片配合使用，所以無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器終端內(nèi)部語音模塊的設(shè)計是基于IIS（Integrate Interface of Sound）接口的。提供IIS接口能夠讀取IIS總線上面的數(shù)據(jù)，同時也為FIFO(First Input First Output)數(shù)據(jù)提供DMA(Direct Memory Access)的傳輸模式，這樣能夠同時傳送和接收數(shù)據(jù)。IIS接口有3種工作方式，分別是正常傳輸模式、DMA模式和傳輸/接受模式，在本文的設(shè)計中，我們選擇了傳輸/接受模式，在這種模式下，IIS總線可以同時接收和發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。