基于STM32的超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 磊，盧華平，王方超

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 船艇指揮系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

基于STM32的超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 磊，盧華平，王方超

(鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 船艇指揮系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

針對超短波電臺訓(xùn)練中實(shí)裝訓(xùn)練存在裝備數(shù)量有限、設(shè)備損耗大、現(xiàn)有純軟件模擬訓(xùn)練系統(tǒng)操作體驗(yàn)與實(shí)裝差距大的問題，提出一種基于STM32和MAX7349的超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32為微處理器實(shí)現(xiàn)對按鍵、LED、顯示屏和音頻接口等的控制，提供與實(shí)裝電臺相同的人機(jī)交互界面，通過串口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)完成電臺通信的模擬和訓(xùn)練的監(jiān)控，可為待訓(xùn)人員提供與真實(shí)設(shè)備沒有差距的操作體驗(yàn)，便于掌握每一個(gè)人在訓(xùn)練過程中的基本情況，便于大規(guī)模集中訓(xùn)練，同時(shí)可以降低成本、避免電磁輻射與干擾。

模擬訓(xùn)練；超短波電臺；STM32；MAX7349

0 引言

軍用超短波電臺是船艇近距離通信的主要裝備，是船艇通信人員必須熟練操作的裝備。由于按軍標(biāo)生產(chǎn)配備的超短波電臺成本較高，很難實(shí)現(xiàn)按訓(xùn)練人數(shù)配備電臺，在數(shù)量有限的情況下，學(xué)員培訓(xùn)過程中的頻繁操作易造成設(shè)備的損壞，且多臺設(shè)備使用中的電磁輻射及干擾問題不容忽視。為解決實(shí)裝在教學(xué)實(shí)踐中的局限性，基于模擬技術(shù)的超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在教學(xué)訓(xùn)練中被廣泛使用。

文獻(xiàn)[1]、[2]均采用計(jì)算機(jī)編程和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。文獻(xiàn)[3]采用半實(shí)物仿真技術(shù)，利用有線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了某短波電臺的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。文獻(xiàn)[4]、[5]基于無線傳輸方式分別仿真了某型號電臺、超短波電臺的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。文獻(xiàn)[6]利用Flash CS、Flash 媒體服務(wù)器(Flash Media Server,FMS)研制開發(fā)了船舶甚高頻電臺模擬器。

本文針對某型號船用超短波電臺，基于STM32和MAX7349實(shí)現(xiàn)電臺人機(jī)交互界面的實(shí)物仿真，考慮到實(shí)裝更新?lián)Q代速度較快的情況，電路設(shè)計(jì)預(yù)留多種按鍵及LED的配置方式，可適應(yīng)多種超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的需求。通信模擬基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了超短波通信環(huán)境的模擬、通信業(yè)務(wù)模擬、復(fù)雜電磁環(huán)境模擬，同時(shí)可進(jìn)行訓(xùn)練情景設(shè)計(jì)、訓(xùn)練過程監(jiān)控和訓(xùn)練效果評估。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由硬件模擬器、學(xué)員計(jì)算機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施組成，如圖1所示。

圖1 超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

其中硬件模擬器采用與超短波電臺一樣的外觀和人機(jī)交互界面，以STM32F407為核心器件，包括USB轉(zhuǎn)串口模塊、音頻輸入輸出模塊、顯示模塊和鍵盤旋鈕LED模塊，其中USB轉(zhuǎn)串口模塊實(shí)現(xiàn)與學(xué)員計(jì)算機(jī)間的操作狀態(tài)和通信內(nèi)容的交互。

學(xué)員計(jì)算機(jī)通過USB 線連接硬件模擬器，通過網(wǎng)線接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各模擬器間的通信模擬以及與監(jiān)控計(jì)算之間的協(xié)作。

監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過網(wǎng)線接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對所有學(xué)員計(jì)算機(jī)及硬件模擬器的監(jiān)控。

2 硬件模擬器電路設(shè)計(jì)

2.1 STM32F407介紹

STM32系列微處理器基于ARM Cortex-M內(nèi)核，專為滿足高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制[7]、數(shù)據(jù)采集[8]、網(wǎng)絡(luò)通信[9]等領(lǐng)域。本系統(tǒng)硬件模擬器微處理器選用STM32F407，基于32位ARM Cortex-M4內(nèi)核，主頻可達(dá)168 MHz，擁有192 KB SRAM、1 024 KB Flash、2個(gè)全雙工SPI、3個(gè)I2C、6個(gè)串口、一個(gè)FSMC接口且最多支持112個(gè)通用I/O口。

2.2 USB轉(zhuǎn)串口模塊電路設(shè)計(jì)

微處理器與學(xué)員計(jì)算機(jī)的接口采用串口通信方式，考慮當(dāng)前主流計(jì)算機(jī)很少支持串口，采用USB轉(zhuǎn)串口的方式，選用南京沁恒的CH340G芯片，電路如圖2所示。微處理器的USRAT1的串行數(shù)據(jù)的發(fā)端、收端分別與CH340G的串行數(shù)據(jù)的收端、發(fā)端相連，CH340G的USB數(shù)據(jù)D+、D-通過USB口可與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)微處理器與學(xué)員計(jì)算機(jī)之間通過USB連接的串口通信。圖中Q1、Q2構(gòu)成該硬件模擬器的串口下載電路，可通過串口實(shí)現(xiàn)軟件代碼的一鍵下載。

圖2 USB轉(zhuǎn)串口模塊電路

2.3 音頻輸入輸出模塊

音頻輸入輸出模塊選用歐勝的WM8978作為音頻處理芯片，選用TI公司的LM4990作為喇叭驅(qū)動芯片。WM8978具有較好的數(shù)字信號處理能力，集成了對麥克風(fēng)的支持，通過I2S與微處理器進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)傳輸，通過I2C接口實(shí)現(xiàn)芯片的配置。LM4990為2 W輸出音頻功率的放大芯片，需要較少的外部元件，無需外接輸出耦合電容和自舉電容，且內(nèi)置待機(jī)電路，可以關(guān)閉功放使其工作于較低的功耗狀態(tài)。

2.4 顯示模塊

顯示屏選用128×128點(diǎn)陣液晶顯示模塊，模塊控制芯片為T6963C，與微處理器的FSMC總線相連。由于FSMC總線電壓標(biāo)準(zhǔn)為+3.3 V，而顯示模塊的電壓標(biāo)準(zhǔn)為+5.0 V，F(xiàn)SMC總線與顯示模塊總線間需要電壓轉(zhuǎn)換芯片，選用TI公司的SN74LVC4245芯片實(shí)現(xiàn)總線的電壓轉(zhuǎn)換，SN74LVC4245支持8路雙向電壓轉(zhuǎn)換。

2.5 鍵盤、旋鈕及LED

本超短波電臺有1個(gè)PTT鍵、3個(gè)旋鈕、22個(gè)按鍵和4個(gè)LED燈。1個(gè)PTT鍵位于話筒上，連接至微處理器的GPIO口；3個(gè)旋鈕分別為音量、靜噪和對比度旋鈕，硬件模擬器電路設(shè)計(jì)中音量旋鈕接入音頻輸出電路，對比度旋鈕直接連接顯示模塊的對比度調(diào)節(jié)引腳，靜噪旋鈕連接微處理器可配置為AD輸入的GPIO口，經(jīng)數(shù)字化后通過微處理器實(shí)現(xiàn)音頻的靜噪處理。

按鍵和LED燈選用MAXIM公司的MAX7349芯片，該芯片可支持最多64個(gè)按鍵，支持按鍵音，可最多配置7路GPIO輸出，此時(shí)可支持16個(gè)按鍵。通過引出MAX7349的引腳，可以支持不同的按鍵和LED燈配置。本模擬器按鍵和LED燈電路設(shè)計(jì)如圖3所示，配置為22個(gè)按鍵和4個(gè)LED等，接口尚有富余。

圖3 按鍵和LED燈電路

2.6 電源模塊

硬件模擬器電源輸入選用+12 V直流電源，選用TI公司的TL780-05芯片將+12 V轉(zhuǎn)變?yōu)?5 V，該芯片最大可支持1.5 A輸出，+3.3 V電源采用TI公司的TLV1117-33芯片。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件模擬器軟件設(shè)計(jì)

硬件模擬器軟件流程如圖4所示，其中按鍵信息由MAX7349觸發(fā)的中斷處理程序提供，中斷處理程序中讀取按鍵值并設(shè)置相應(yīng)的按鍵信息參數(shù)；語音發(fā)送狀態(tài)由PTT中斷處理程序提供，其中斷處理流程如圖5所示；語音收信狀態(tài)由串口中斷提供，串口中斷程序根據(jù)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。

圖4 硬件模擬器軟件流程圖

硬件模擬器開機(jī)后，首先分別初始化STM32F407各模塊、MAX7349和WM8978；然后判斷學(xué)員計(jì)算機(jī)與硬件模擬器的串口是否有效連接，如果學(xué)員計(jì)算機(jī)未連接，則硬件模擬器只提供操作模擬，不提供通信模擬功能；檢測串口連接后，程序進(jìn)入循壞操作，在循壞里依次檢測是否發(fā)信、是否有按鍵、是否收信并進(jìn)行相應(yīng)處理。

圖5 PTT中斷處理流程圖

3.2 學(xué)員計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)

學(xué)員計(jì)算機(jī)軟件啟動后，自動檢測USB串口并與硬件模擬器建立連接，然后同時(shí)檢測串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，一方面接收來自硬件模擬器串口的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)要求廣播至網(wǎng)絡(luò)；一方面接收網(wǎng)路數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)要求通過串口發(fā)送至硬件模擬器。

3.3 監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控計(jì)算機(jī)軟件一方面接收來自學(xué)員計(jì)算機(jī)發(fā)送的網(wǎng)路數(shù)據(jù)，更新各學(xué)員的狀態(tài)信息，并對訓(xùn)練效果進(jìn)行評估；另一方面可以設(shè)置訓(xùn)練情景設(shè)計(jì)，通過網(wǎng)路向?qū)W員及發(fā)送相關(guān)指令。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32F407和MAX7349的超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用與實(shí)裝相同的人機(jī)交互界面，基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模擬超短波電臺通信，利用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)提供通信場景模擬，能夠提供與實(shí)裝訓(xùn)練無差別的操作體驗(yàn)，且能夠靈活設(shè)置場景、下達(dá)訓(xùn)練任務(wù)、監(jiān)控訓(xùn)練過程及評估訓(xùn)練效果。系統(tǒng)采用MAX7349掃描按鍵并驅(qū)動LED，能夠靈活調(diào)整按鍵和LED等的設(shè)置，能夠適用于其他型號超短波電臺的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有較好的通用性。

[1] 陳樹新，溫祥西，鄧妍．基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．科學(xué)技術(shù)與工程， 2008，8(15)：4335-4338．

[2] 禹華鋼，周安棟，劉宏波．多線程語音通信在模擬電臺通信中的應(yīng)用[J]．火力與指揮控制，2010，35(3)：42-45．

[3] 謝鐵城，達(dá)新宇，劉蕓江,等．某電臺網(wǎng)絡(luò)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．計(jì)算機(jī)測量與控制，2010，18(5)：1151-1153．

[4] 高晶，達(dá)新宇．基于無線傳輸?shù)哪M電臺訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2008，24(8-1)：259-261．

[5] 高振斌，王仁智，盧飛，等.基于無線通信技術(shù)的超短波電臺訓(xùn)練模擬器[J].河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012,41(4):22-25.

[6] 魏偉.船舶甚高頻電臺模擬器的研制與應(yīng)用[J].中國航海，2010,33(1)：16-19.

[7] 王海，張李超，周偉光.基于STM32 與 PCAP01的激光切割頭隨動系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(6)：52-55.

[8] 王晨輝，吳悅，楊凱.基于STM32的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(1)：51-53，57.

[9] 孫曉曄，王程，成彬．基于TFTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)STM32的IAP[J]．微型機(jī)與應(yīng)用，2016，35(7)：76-78．

Design of simulation training system for ultra short wave radio based on STM32

Zhang Lei，Lu Huaping，Wang Fangchao

(Department of Watercarft Command,Zhenjiang Watercraft College,Zhenjiang 212003,China)

According to the training of ultra short wave radio equipment operation,simulation training system for ultra short wave radio based on STM32 and MAX7349 is proposed to solve the problems that the quantity of equipment is limited,loss of equipment is large for real equipment training,and it’s not good in operation experience for full software simulation training system.The human machine interface of the system is the same as the real equipment with the keys,LED,display unit and audio interface controlled by the microprocessor STM32.The human machine interface is connected to the computer using USB serial line to exchange data,and simulation of the equipment communication and the monitor and control of training process are fulfilled by the aid of the computer network.The system provides trainees with operating experience having no differences with real equipments and also provides trainers with every trainers’ basic situation during the training process.The system can be used to carry out mass concentration training while reducing cost and avoiding electromagnetic radiation and interference.

simulation training; ultra short wave radio; STM32; MAX7349

TP368

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.10.029

張磊，盧華平，王方超.基于STM32的超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(10)：99-101,105.

2016-11-21)

張磊(1984-)，通信作者，男，碩士研究生，講師，主要研究方向：無線通信、移動通信、嵌入式設(shè)計(jì)。E-mail:jasilet@163.com。

盧華平(1979-)，男，碩士研究生，副教授，主要研究方向：無線通信、空間物理。

王方超(1984-)，男，碩士研究生，助教，主要研究方向：無線通信、移動通信、軟件開發(fā)。