基于ISD4004隱蔽化集群電臺的通信模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：在單片機(jī)的統(tǒng)一控制下，將ISD系列語音錄放芯片與集群手車臺配合使用，從而以較低的成本實(shí)現(xiàn)了集群電臺聯(lián)絡(luò)時(shí)的隱蔽化使用。
關(guān)鍵詞：ISD4004；單片機(jī)；集群電臺

0 引言
    集群電臺包括集群手臺(對講機(jī))和集群車臺，它們在黨政機(jī)關(guān)、軍隊(duì)、警察以及工程建設(shè)中應(yīng)用十分廣泛，但是在實(shí)際使用中也存有一定局限。例如在一些特殊場合，如警察對犯罪分子開展秘密調(diào)查跟蹤取證，或是工程人員在嘈雜的建筑工地指揮塔吊工作的時(shí)候，各類集群電臺使用人員都可能遭遇到這類尷尬——即需要借助集群電臺向相關(guān)人員匯報(bào)情況的時(shí)候，卻不便發(fā)出聲音或者因周邊環(huán)境嘈雜造成無法正常通信。
    通過調(diào)查走訪，這類工作的共性通常是語義簡單卻需要反復(fù)說講。例如警察在秘密調(diào)查取證中，經(jīng)常會重復(fù)“嫌疑人出現(xiàn)，正常跟蹤，嫌疑人停止了腳步，嫌疑人開始逃跑”等話語；工程人員則會始終重復(fù)“開始起吊、向左、向右、向前、向后、結(jié)束起吊”等簡單信息。鑒于各單位的集群手臺、車臺已經(jīng)大量投入使用，如果能夠在上述各類集群電臺上外接一套通用的控制通信模塊，將能夠在最低的成本增加中實(shí)現(xiàn)特殊情況的集群通信應(yīng)用，從而進(jìn)一步提高各單位集群通信系統(tǒng)的聯(lián)絡(luò)通信和指揮調(diào)度的效能。
    本系統(tǒng)以單片機(jī)作為主要控制芯片，ISD4004作為語音錄放芯片，配合相關(guān)外圍電路和控制開關(guān)實(shí)現(xiàn)特殊場合下的隱蔽化通信。用戶只需事先錄制好所需語音，在工作時(shí)按下相應(yīng)按鈕，即可將該路話音由集群電臺發(fā)出。各種集群手臺車臺，只要能夠提供語音輸入、語音輸出、PPT和接地四條接線，都能夠與該模塊配套使用。

1 工作原理
    系統(tǒng)主要分為兩大部分。一是在使用前的語音輸入部分。即用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際使用需求，按需進(jìn)行錄音。通過系統(tǒng)的外圍按鍵，在按動錄音按鈕之后，單片機(jī)通過SPI串行輸入，告訴ISD4004芯片進(jìn)入錄音模式和錄音的起始地址。麥克風(fēng)輸入的聲音經(jīng)過過濾和放大輸入到ISD4004，實(shí)現(xiàn)了錄音。另外一個部分是在使用的過程中，當(dāng)工作人員需要說話的時(shí)候，可以按動相應(yīng)的按鈕播放語音。當(dāng)用戶動作之后，單片機(jī)通過SPI串行輸入，告訴ISD4004芯片進(jìn)入放音模式和放音的起始地址。同時(shí)單片機(jī)觸發(fā)集群電臺的PPT控制引腳，實(shí)現(xiàn)語音由ISD4004芯片向集群電臺的輸入與轉(zhuǎn)發(fā)。圖1工作模式示意圖

2 電路設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)如圖2、3、4所示。

    當(dāng)工作在語音輸入模式時(shí)，按下錄音按鈕1，聲音由麥克風(fēng)輸入，輸入至三極管得到有效放大。再經(jīng)過濾波輸入至ISD4004的ANA IN+引腳中。ISD4004的語音信號由耦合電容輸入，最大幅度為峰值32mV，耦合電容和本端的電阻輸入阻抗決定了芯片頻帶的低端截止頻率。此時(shí)，SS引腳與單片機(jī)P00引腳相連接，作為片選信號使用。MOSI(串行輸入)引腳與單片機(jī)P01引腳相連接，單片機(jī)通過軟件寫入0xB0，即命令I(lǐng)SD4004工作在“從指定地址錄音”狀態(tài)，進(jìn)行錄音。錄音完畢后，再次按下按鈕1，將停止錄音。
    而當(dāng)工作在按鍵轉(zhuǎn)發(fā)模式的情況下，按下按鈕2，聲音將經(jīng)由ISD4004的AUD OUT口輸出，連接至集群電臺的MIC輸入信號線。其中可并聯(lián)兩個不同大小的電容(測試中選用2．2μf和22μf)，用來分別過濾線路中的高頻和低頻噪聲。MOSI(串行輸入)引腳與單片機(jī)P01引腳相連接，單片機(jī)通過軟件寫入0xE0，即命令I(lǐng)SD4004工作在“從指定地址放音”狀態(tài)，系統(tǒng)將根據(jù)按鍵，送入不同的放音起始地址。ISD4004將實(shí)現(xiàn)自動放音，直至遇到EOM。放音狀態(tài)下單片機(jī)的P10口直接驅(qū)動集群電臺的PPT輸入信號，通過軟件將P10置為低電平，實(shí)現(xiàn)集群電臺的PPT功能和聲音轉(zhuǎn)發(fā)。值得注意的是，不同的集群手臺MIC輸入阻抗不同，必要時(shí)需要調(diào)整ISD4004的輸出阻抗。

3 軟件設(shè)計(jì)
    程序設(shè)計(jì)如圖5所示，ISD4004芯片在上電以后，將對芯片進(jìn)行初始化。此時(shí)，STC89C52單片機(jī)將對外圍連接的3×3控制矩陣進(jìn)行按鍵檢測，得到相應(yīng)的兩進(jìn)制的數(shù)值。根據(jù)數(shù)值，單片機(jī)控制程序?qū)⒆詣优卸ㄊ遣扇′浺暨€是放音功能，并生成相應(yīng)的語音起始地址。根據(jù)判定，單片機(jī)逐位地將SPI關(guān)鍵字寫入MOSI引腳，即完成了單片機(jī)對于ISD4004的功能和起始地址的告知。在完成錄音工作以后，ISD4004生成EOM中斷。以后一旦放音遭遇到EOM時(shí)ISD4004將產(chǎn)生中斷并輸入至單片機(jī)外部中斷INT0，回到起始點(diǎn)。

    鑒于保證程序較好的可讀性和可維護(hù)性，編程采用了C語言。幾個主要子程序如下：
    ISD4004 SPI寫入子程序
   

4 調(diào)試環(huán)境
    本系統(tǒng)調(diào)試的硬件環(huán)境為隱蔽化通信模塊與MOTOROLfA的MTH850手臺相配合。軟件環(huán)境是采用了KEIL，C的編程環(huán)境和STC-ISP的單片機(jī)燒錄程序。具體內(nèi)容如下：
    在硬件調(diào)試環(huán)境中，除了常規(guī)設(shè)置之外，還需要注意以下幾個要點(diǎn)：
    (1)集群手臺中語音輸入、語音輸出、PPT和接地四條接線的選取。集群車臺一般具備專用的數(shù)據(jù)接口，只要按照說明書就能夠取出相應(yīng)的信號引線，然而一般的集群手臺不會具備明顯的數(shù)據(jù)輸入輸出口，且各品牌的手臺通常也采用不同的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但是無論是模擬集群手臺或是數(shù)字集群手臺，通常都具備了有線耳機(jī)麥克風(fēng)接口。通過將該接線截?cái)嘌芯?，可以得知其中四根?dǎo)線的定義進(jìn)而依次確定手臺的語音輸入、語音輸出、PPT和接地四條接線的具體位置。
    (2)集群手臺的MIC接收靈敏度需要調(diào)整。所謂手臺的MIC接收靈敏度是指手臺的內(nèi)置／外界麥克風(fēng)在多少靈敏度下可打開工作。在靈敏度太低的情況下，將不能有效地觸發(fā)起集群手臺的PPT功能。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明，在通過手臺耳機(jī)接口的情況下，如果需要觸發(fā)起手臺PPT功能，必須同時(shí)滿足兩個條件。一是外接PPT線需要置0(這個功能是通過C語言編程中的play()函數(shù)得以實(shí)現(xiàn))。二是外界MIC線需有聲音輸入，即ISD40 04有聲音輸出。兩個條件必須同時(shí)滿足才能有效觸發(fā)手臺PPT功能。因此，在手臺燒碼軟件里，可以適當(dāng)提高M(jìn)IC的接收靈敏度，避免因?yàn)殪`敏度不夠造成PPT無法觸發(fā)的情況。
    (3)輸出音質(zhì)的調(diào)整。語音輸出部分，通常單一電容進(jìn)行雜音濾波。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，單一小電容的雜音濾波效果一般。因此通過將一大一小兩個電容并聯(lián)的方法，分別過濾聲音輸出過程中的高音部分雜波和低音部分雜波。本項(xiàng)目中，電容的選擇分別是2．2μf／50V和22μf／35V。實(shí)驗(yàn)證明，通過兩電容并聯(lián)以后，有效地改善了本產(chǎn)品的話音輸出質(zhì)量。
    (4)工作電源的落實(shí)。本系統(tǒng)中主要涉及到單片機(jī)的工作電壓和ISD4004芯片的工作電壓，它們分別為5V和3．3V。其中5V工作電壓可通過4節(jié)1．3V可充電鎳氫電池串聯(lián)獲得。經(jīng)測試它的工作電壓和工作時(shí)間滿足日常要求。3．3V電壓為ISD4004語音錄放芯片專用。由于該芯片
包含了模擬量與數(shù)字信號的互換過程，因此對電源的要求較高。本系統(tǒng)采用HT7133穩(wěn)壓電源芯片，提供穩(wěn)定的3．3V直流輸出。當(dāng)然在條件允許的情況下也可以選擇3V工作電壓的單片機(jī)以簡化電路。
    在軟件調(diào)試過程中，有如下幾個重點(diǎn)：
    (1)通過調(diào)用at89x52．h函數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的外部接口與內(nèi)部實(shí)際地址的有效映射。此舉極大地減輕了主函數(shù)和功能函數(shù)的編程復(fù)雜度，同時(shí)提高了程序的可讀性和可維護(hù)性。
    (2)通過有效設(shè)置單片機(jī)燒碼程序，完成軟件的編輯和燒錄工作。在此項(xiàng)目中選用的軟件是STC-ISP燒錄軟件，它是STC公司的單片機(jī)配合燒碼軟件。界面如圖6所示。

    在KEIL C中完成C編程并生成有效的HEX十六進(jìn)制文件后，只要依次進(jìn)行
    MCU Type選擇：選擇相應(yīng)的CPU類型，這里選STC89C52RC；
    COM口選擇：選擇電腦對應(yīng)的COM口；
    波特率：最高115200，最低1200；
    雙倍速：選擇12T／單倍速
    其他選項(xiàng)默認(rèn)即可。在完成選項(xiàng)設(shè)置后，選擇“打開程序文件”后下載相應(yīng)源程序，再點(diǎn)擊“Download／下載”就完成了所有的單片機(jī)燒碼工作。

5 結(jié)束語
    本系統(tǒng)充分利用了各類集群手臺的耳機(jī)麥克風(fēng)一體化插孔，將ISD4004的高清晰語音錄放和單片機(jī)控制功能相結(jié)合，成本較低，兼容性好，適用于各類模擬／數(shù)字集群設(shè)備的隱蔽化通信應(yīng)用，可在特定的場合發(fā)揮出特殊作用。