數(shù)字化車內(nèi)通信系統(tǒng)方案設計

周富相，張華超，陳德毅，鄭曉晶

（1.總參通信訓練基地，河北宣化075100;2.66440部隊，河北石家莊 050081）

近年來，隨著通信技術(shù)、微電子技術(shù)和計算機網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展，車內(nèi)通信系統(tǒng)正朝著集成化、數(shù)字化、網(wǎng)絡化和多功能化方向發(fā)展。新一代車內(nèi)通信系統(tǒng)，要能夠?qū)崿F(xiàn)車內(nèi)、車下、車際的話音統(tǒng)一交換與處理，滿足車內(nèi)乘載員間話音指揮、數(shù)據(jù)共享的要求，滿足車際之間的話音直接指揮、話音撥號及數(shù)據(jù)指揮的要求。

1 車內(nèi)通信系統(tǒng)總體框架設計

車內(nèi)通信系統(tǒng)的設計思路是以先進的工程設計思想為指導，采用目前最流行的嵌入式開發(fā)技術(shù)［1］，計算機網(wǎng)絡技術(shù)和數(shù)字通信等先進技術(shù)設計的一種新型的數(shù)字化車內(nèi)通信系統(tǒng)。

圖1 車內(nèi)通信系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

車通系統(tǒng)內(nèi)所有車通設備的通信模塊采用全雙工交換式千兆以太網(wǎng)交換模塊，對外提供多個10/100自適應以太網(wǎng)接口。各車通設備之間采用交換端口級聯(lián)方式連接，通信速率為100 Mbps。車載計算機或便攜式計算機可連接在車通設備的任意一個以太網(wǎng)口（ETH）。話筒產(chǎn)生的模擬音頻信號通過采樣量化成數(shù)字信號后再通過系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸，話音信號數(shù)字化前進行了動態(tài)降噪放大。

2 車內(nèi)通信系統(tǒng)硬件系統(tǒng)設計

2.1 硬件系統(tǒng)設計

車內(nèi)通信系統(tǒng)的所有設備統(tǒng)一采用ARM開發(fā)平臺，通過以太網(wǎng)總線進行互聯(lián)。ARM處理器主要完成對各種開關(guān)、旋紐、顯示屏與指示燈的輸入輸出控制，語音的采集回放與交換傳輸處理以及網(wǎng)絡通信控制，系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

圖2 ARM主控板框圖

2.2 ARM主控板硬件設計

ARM主控芯片是SAMSUNG公司最新的32位高性能低功耗S3C6410通用微處理器。該處理器外部存儲器接口，能滿足在高端通信服務中的數(shù)據(jù)帶寬要求。為了降低整個系統(tǒng)的成本和提升總體功能，處理器還包括很多硬件功能外設，如系統(tǒng)管理單元、4通道的 UART、32通道的 DMA、4通道定時器、通用I/O口、I2S總線、I2C總線、USB Host、高速USB OTG、SD Host、高速MMC卡接口以及內(nèi)部的PLL時鐘發(fā)生器。

ARM處理器主控板硬件［2］采用AC97接口與音頻處理芯片WM9714相連，實現(xiàn)話音采集與播放控制。ARM處理器主控板通過SP3232芯片，將串口TTL電平轉(zhuǎn)化為RS232電平，以實現(xiàn)串口通信;通過FE1.1S芯片擴展4個USB Host接口，支持U盤、鼠標、鍵盤、藍牙等USB設備;通過以太網(wǎng)控制芯片DM9000AE實現(xiàn)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸與控制;通過I/O口與顯示屏、旋轉(zhuǎn)開關(guān)和指示燈等設備直接相連。

2.3 音頻處理模塊設計

音頻處理模塊采用WM9714芯片，該芯片是一款專為移動終端和通信而設計的高度集成的輸入/輸出器件，采用了雙編解碼器運行的架構(gòu)，通過AC連接接口支持高保真（Hi-Fi）立體聲編解碼器功能，同時還通過一個PCM型同步串行端口（SSP）支持聲音編碼解碼器功能。該芯片能夠直接連接到單聲道或立體聲麥克風、立體聲耳機以及立體聲揚聲器，從而降低了系統(tǒng)元器件總數(shù)。與耳機、揚聲器以及聽筒的無電容連接，可節(jié)省成本和印刷電路板面積。

ARM處理器通過一個符合AC-97標準、單獨的AC-Link接口，可以連接和控制所有的芯片功能。WM9714芯片可以直接輸入24.576 MHz的主時鐘，或者由板上的鎖相環(huán)從一個13 MHz（或其它頻率）時鐘從內(nèi)部產(chǎn)生。WM9714L運行的電源電壓范圍為1.8 V～3.6 V;芯片上的任何部分都可以通過軟件控制實現(xiàn)關(guān)斷來降低功耗。

2.4 網(wǎng)絡控制模塊設計

系統(tǒng)網(wǎng)絡控制采用DAVICOM公司的DM9000AE芯片，該芯片集成了10/100M收發(fā)器、4K雙字 SRAM，可支持8/16bit工作模式、交叉線自適應功能、MII/RMII接口和UDP/TCP/IP加速。該芯片可與微處理器以8 bit或16 bit的總線方式連接，并可根據(jù)需要以單工或全雙工等模式運行。網(wǎng)口接口采用HR911105A芯片，該芯片具有信號耦合、電氣隔離、阻抗匹配、抑制干擾等優(yōu)點。由于HR911105A自帶網(wǎng)絡變壓器，DM9000AE接收信號線RX+、RX-和發(fā)送信號線TX+、TX-可直接連接到HR911105A的發(fā)和收腳上。網(wǎng)絡變壓器的主要作用是將嵌入式系統(tǒng)與外部線路相隔離，防止干擾和燒壞元器件，實現(xiàn)帶電的插拔功能。

3 車內(nèi)通信系統(tǒng)軟件設計

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)選擇

嵌入式操作系統(tǒng)采用WinCE（Microsoft Windows CE）系統(tǒng)作為ARM處理器的操作系統(tǒng)，主要原因有以下幾點［3］。

（1）Microsoft Win32應用編程接口（API）的廣泛應用;（2）WinCE是緊湊的、高效的和可升級的32位嵌入式操作系統(tǒng);

（3）WinCE系統(tǒng)功能強大，能完成大部分PC具有的功能，提供了友好的人機交互界面，可以使用鼠標、鍵盤等工具;

（4）可根據(jù)應用需要裁剪內(nèi)核，減少系統(tǒng)開銷，穩(wěn)定性好，啟動時間短;

（5）WinCE是一個嚴格實時操作系統(tǒng)。

3.2 嵌入式程序設計

ARM嵌入式程序采用面向?qū)ο蠛湍K化程序設計思想［4］，按照功能將整個程序分為按鍵輸入模塊、面板顯示模塊、參數(shù)配置模塊、網(wǎng)絡傳輸控制模塊、話音采集與回放模塊和程序升級模塊，其組成如圖3所示。

對應以上6個模塊，整個嵌入式程序采用面向?qū)ο蟮木幊谭椒?，將功能模塊分別用6個類來實現(xiàn)，其功能如表1所示。其中網(wǎng)絡傳輸控制模塊綜合運用TCP/IP、RTP/RTCP/UDP協(xié)議，實現(xiàn)話音數(shù)據(jù)和信令的傳輸。話音數(shù)據(jù)格式采用PCM編碼、單聲道、11 025 Hz采樣率、8 bit數(shù)據(jù)寬度。

圖3 ARM嵌入式程序模塊

表1 類的功能描述

4 結(jié)束語

車內(nèi)通信系統(tǒng)近年來隨著數(shù)字通信技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展得到了迅速發(fā)展，已經(jīng)從模擬交換模式上發(fā)展到全數(shù)字化、網(wǎng)絡化階段，新型的車內(nèi)通信系統(tǒng)由于采用了大量的現(xiàn)代電子技術(shù)，其集成化、網(wǎng)絡程度高，車內(nèi)設備以及車際間的互連互通方便、可靠。本文設計的車內(nèi)通信系統(tǒng)方案是以ARM嵌入式系統(tǒng)為核心，大量運用了現(xiàn)代微電子設計技術(shù)［5］，IP技術(shù)等，使得整個系統(tǒng)高度集成化、網(wǎng)絡化。因此，本文所設計的方案有一定的工程研制參考意義。

［1］田澤.嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［2］楊澤輝，徐燕玲，劉碧君，等.基于嵌入式 WinCE的GPIO驅(qū)動開發(fā)［J］.太原科技大學學報，2010，31（6）:446-448.

［3］汪兵.WinCE嵌入式高級編程及其實例詳解［M］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［4］孫鑫，余安萍.VC++深入詳解［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010.

［5］徐欣.基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2004.