基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)設(shè)計(jì)機(jī)設(shè)計(jì)

O 引 言

嵌入式系統(tǒng)就：是一個(gè)具有特定功能或用途的計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合體，或指裝入另一個(gè)設(shè)備并且控制該設(shè)備的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是其具有目的性和針對(duì)性，即每一套嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)都有其特殊的應(yīng)用場(chǎng)合與特定功能。嵌人式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分。硬件架構(gòu)以嵌入式處理器為中心，配置存儲(chǔ)器、I／O設(shè)備、通信模塊等；軟件部分以軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)為核心，向上提供應(yīng)用編程接口API，向下屏蔽具體硬件特性的板級(jí)支持包BSP。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。

擴(kuò)頻通信是當(dāng)今國(guó)際上高新技術(shù)熱點(diǎn)之一，其理論基礎(chǔ)是香農(nóng)(C．E．Shannon)的信道容量公式。該公式表明，在高斯信道中，當(dāng)?shù)男盘?hào)噪聲功率比SNR下降時(shí)，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W的辦法來(lái)保持信道容量C不變；對(duì)于任意給定的信號(hào)噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來(lái)獲得較低的信息差錯(cuò)率。擴(kuò)頻技術(shù)正是利用這一原理，用高速率擴(kuò)頻碼來(lái)達(dá)到擴(kuò)展待傳輸數(shù)字信息帶寬的目的。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信體制大幾百倍至幾千倍，故在相同信噪比的條件下，具有較強(qiáng)的抗噪聲干擾能力。

1 基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)的硬件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。



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該數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)是雙通道的(圖中只畫(huà)出單一通道)。通道由語(yǔ)音編解碼電路、嵌入式微處理器、電平轉(zhuǎn)換電路、語(yǔ)音數(shù)據(jù)擴(kuò)頻解擴(kuò)調(diào)制解調(diào)電路、鎖存及控制電路、外部存儲(chǔ)器和射頻單元電路組成。

語(yǔ)音編解碼電路采用PHLIPS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的低功耗立體聲音頻編解碼芯片UDAl344TS。該芯片3．O V電源供電，可工作在L3微控制器模式，也可工作在靜態(tài)引腳工作模式，通過(guò)模式控制引腳MCl(8腳)、MC2(21腳)設(shè)置為靜態(tài)引腳工作模式(均為高電平)，在該模式下，可控制的特征有系統(tǒng)時(shí)鐘選擇、數(shù)據(jù)輸入／輸出格式設(shè)置、重低音和靜音控制以及ADC控制，這些特征是由引腳MPl(9引腳)、MP2(13引腳)、(14引腳)、(15引腳)、MP5(20引腳)控制的。

嵌入式微處理器選用公司為手持設(shè)備設(shè)計(jì)的低功耗、高集成度基于ARlM920T核的微處理器。該處理器集成了16 KB指令和16 KB數(shù)據(jù)緩存、MMU、外部存儲(chǔ)器控制器、控制器、NAND 控制器、4個(gè)DMA通道、3個(gè)通道、1個(gè)I2C總線控制器、1個(gè)I2S總線控制器、4個(gè)PWM器和一個(gè)內(nèi)部器、通用I／O口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、8通道10位ADC和接口、USB主／從接口、SD／MMC卡接口等。

語(yǔ)音數(shù)據(jù)擴(kuò)頻解擴(kuò)調(diào)制解調(diào)電路選用公司研制的可編程單片直接序列擴(kuò)頻收發(fā)芯片Z87200。該芯片包括發(fā)送部分、接收部分和控制部分，它將擴(kuò)頻通信收發(fā)主要電路的各個(gè)部分都集成于一塊100個(gè)管腳的芯片中。發(fā)送部分包括了發(fā)送數(shù)據(jù)的白化處理、串并變換、差分編碼、PN碼產(chǎn)生、擴(kuò)頻、QPSK／調(diào)制及發(fā)，完成由數(shù)據(jù)輸入到已調(diào)中頻信號(hào)輸出的擴(kuò)頻、調(diào)制處理。接收部分包括中頻到基帶的數(shù)字下變換、PN碼產(chǎn)生、數(shù)字匹配濾波、解擴(kuò)、相關(guān)峰檢測(cè)、差分解調(diào)、并串轉(zhuǎn)換、去白化處理、數(shù)控振蕩器及位定時(shí)處理等，完成由數(shù)字中頻信號(hào)輸入到數(shù)據(jù)輸出的全過(guò)程解調(diào)解擴(kuò)處理。此外，Z87200還設(shè)置了86 B的片內(nèi)寄存器，用于對(duì)芯片功能的編程設(shè)置，使得對(duì)擴(kuò)頻系統(tǒng)的設(shè)置具有靈活性，芯片具有通用性，可與計(jì)算機(jī)或單片微處理器連接，完成對(duì)內(nèi)部寄存器的編程控制。

電平轉(zhuǎn)換電路采用公司的雙向8通道電平轉(zhuǎn)換芯片。由于嵌入式微處理器工作電壓通常是3．3 V，而直序擴(kuò)頻收發(fā)器Z87200工作電壓通常是5 V，所以可采用多個(gè)來(lái)連接這兩個(gè)芯片，以實(shí)現(xiàn)它們之間。的邏輯電平轉(zhuǎn)換。

鎖存及控制電路采用鎖存器和復(fù)雜可編程邏輯器件。在通過(guò)接口控制單元向直序擴(kuò)頻收發(fā)器Z87200讀寫(xiě)數(shù)據(jù)時(shí)，為了確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，采用鎖存器對(duì)要讀寫(xiě)的數(shù)據(jù)先進(jìn)行鎖存，然后才完成數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。是公司生產(chǎn)的一款系列的器件，用編程設(shè)計(jì)一個(gè)8位同步移位寄存器和一個(gè)9位同步計(jì)數(shù)器，在．Max +Ⅱ開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行編譯仿真后下載在器件上。由于直序擴(kuò)頻收發(fā)器Z87200被設(shè)置為突發(fā)工作模式，為方便數(shù)據(jù)處理，可設(shè)置突發(fā)塊的長(zhǎng)度為8符號(hào)／幀，配合使用9位計(jì)數(shù)器和8位移位寄存器，每移位9次可得到真正需要的8位語(yǔ)音數(shù)據(jù)。

射頻單元采用北京迅通科技公司的(以作為數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸芯片)高性能嵌入式無(wú)線模塊，它專為點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)無(wú)線通信設(shè)計(jì)，內(nèi)置數(shù)據(jù)協(xié)議和CRC檢錯(cuò)，可工作在430／868／915 MHz，工作電壓在1．9～3．6 V之間，最射功率+10 dBM，高抗干擾調(diào)制，可跳頻，數(shù)據(jù)速率50 Kb／s，獨(dú)特的載波監(jiān)測(cè)輸出，地址匹配輸出，地址就緒輸出。由于與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號(hào)處理部分已經(jīng)嵌入在模塊內(nèi)部，可與各種配合使用，也可以與DSP等高速處理器配合使用；提供一個(gè)SPI接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定，在RX(接收)模式中，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)信號(hào)通知MCU一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自完成，微控制器即可通過(guò)SPI讀取接收的數(shù)據(jù)。在TX(發(fā)送)模式中，PTRR8000自動(dòng)產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)信號(hào)通知MCu數(shù)據(jù)傳輸完成。

外部存儲(chǔ)器由一塊8 MB的(采用)和一塊2 MB的(采用HY29LVl60)構(gòu)成，主要用于存放程序和數(shù)據(jù)。

2 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)采用武漢創(chuàng)維特信息技術(shù)有限公司的ADT IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，它提供高效、清晰、可視化的嵌入式軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，包括一整套完備的面向嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具：編輯器、編譯器、鏈接器、工程管理器以及調(diào)試器等，它運(yùn)行于WindowsNT／95／98／2000／XP，采用類(lèi)似Visual Studio界面風(fēng)格，支持中、英文版本。

在用戶的應(yīng)用程序之前，需要由專門(mén)的一段代碼完成對(duì)系統(tǒng)的初始化，即系統(tǒng)啟動(dòng)加載程序。當(dāng)ARM微處理器上電或者復(fù)位之后，處理器從0x0取值，在這個(gè)地址處安排的程序就是系統(tǒng)啟動(dòng)加載程序。由于這類(lèi)代碼直接面對(duì)處理器內(nèi)核和硬件控制器進(jìn)行編程，故采用匯編語(yǔ)言，其任務(wù)包括建立異常向量表、重構(gòu)異常向量表、初始化存儲(chǔ)器系統(tǒng)、初始化堆棧、初始化應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境、屏蔽所有中斷和呼叫主應(yīng)用程序。

收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的主程序主要完成芯片的初始化、接口的配置、語(yǔ)音數(shù)據(jù)流控制和中斷處理等工作，使得收發(fā)機(jī)系統(tǒng)在嵌入式微處理器的控制下能有效地完成語(yǔ)音的錄人、發(fā)送、接收和播放全過(guò)程，基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)程序流程圖如圖2所示。



3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)系統(tǒng)啟動(dòng)加載程序，用c語(yǔ)言編寫(xiě)嵌入式微處理器的數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)程序，在ADTIDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下添加源代碼，保存后加入到工程中進(jìn)行設(shè)置和編譯，通過(guò)后經(jīng)過(guò)JTAG簡(jiǎn)易調(diào)試器，將應(yīng)用程序燒錄到中，下載到中。將語(yǔ)音編解碼電路、嵌入式微處理器、電平轉(zhuǎn)換電路、語(yǔ)音數(shù)據(jù)擴(kuò)頻解擴(kuò)調(diào)制解調(diào)電路、鎖存及控制電路、外部存儲(chǔ)器和射頻單元電路正確焊接在板上，上電，運(yùn)行程序。

在發(fā)送端，話音通過(guò)麥克風(fēng)送人語(yǔ)音編解碼芯片UDAl344TS，經(jīng)過(guò)語(yǔ)音編碼處理后，產(chǎn)生I2-bus格式的串行語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)I2S語(yǔ)音接口傳送到嵌入式微處理器S3C2410X。S3C2410X將得到的8位語(yǔ)音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到預(yù)先分配好的數(shù)據(jù)區(qū)，接著將該數(shù)據(jù)通過(guò)同步串行接口SIO一位一位地發(fā)送到語(yǔ)音數(shù)據(jù)擴(kuò)頻解擴(kuò)調(diào)制解調(diào)芯片Z87200片內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)頻、調(diào)制等一系列處理后，得到8位數(shù)字中頻語(yǔ)音信號(hào)；最后，通過(guò)射頻單元PTR8000無(wú)線發(fā)送出去。

在接收端，通過(guò)射頻單元PTR8000到8位數(shù)字中頻語(yǔ)音信號(hào)，送入z87200片內(nèi)進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)等一系列處理，得到串行語(yǔ)音數(shù)據(jù)信號(hào)；該信號(hào)被送入器件EPM7128SLC84-15的8位同步移位寄存器；CPLD每得到一個(gè)8位語(yǔ)音數(shù)據(jù)就將該數(shù)據(jù)鎖存并產(chǎn)生一個(gè)外部中斷，通知嵌入式微處理器S3C2410X將這8位語(yǔ)音數(shù)據(jù)讀走；最后在S3C2410X的控制下將語(yǔ)音數(shù)據(jù)通過(guò)I2S接口傳送給語(yǔ)音編解碼芯片UDAl344TS，解碼處理后通過(guò)播放出來(lái)。

發(fā)送通道實(shí)現(xiàn)了話音錄人、擴(kuò)頻和調(diào)制、無(wú)線發(fā)送；接收通道實(shí)現(xiàn)了、BPSK解調(diào)、解擴(kuò)和播放。兩通道可同時(shí)進(jìn)行；在無(wú)線傳輸時(shí)，采用PTR8000高性能嵌人式無(wú)線模塊，最大傳輸速率可達(dá)20 Kb／s，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)1 km左右。

4 結(jié) 語(yǔ)

闡述了嵌入式系統(tǒng)和擴(kuò)頻通信的含義,以嵌入式微處理器S3C2410X為核心，利用Z87200，UDAl344TS，PTR8000等模塊設(shè)計(jì)出了數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)。該文創(chuàng)新點(diǎn)是將嵌入式技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)融合在一起，同時(shí)采用ADT IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境調(diào)試嵌入式系統(tǒng)軟件，用嵌入式微處理器對(duì)系統(tǒng)芯片進(jìn)行編程控制，因而具有很好的靈活性和通用性；根據(jù)所提出的設(shè)計(jì)思路，可方便地設(shè)計(jì)無(wú)線通信系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用前景和很好的經(jīng)濟(jì)效益。