一種基于FPGA的電臺遙控器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

趙 楊，咸立文，牛吉凌，冷汶鍇

（中國電子科技集團(tuán)公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

海岸電臺是船岸通信的紐帶。它提供海上遇險安全通信保障、沿海航行警告、海上氣象警報和海上氣象預(yù)報播發(fā)等公益性服務(wù)和公眾通信。實(shí)際應(yīng)用中，電臺設(shè)備固定裝備于通信艙。為實(shí)現(xiàn)電臺設(shè)備與操作控制臺空間分離，完成對電臺遠(yuǎn)距離控制，研制了一款面向操作員的遙控器。遙控器能夠接收操作員的鍵控信息，提供話音輸入輸出接口，并實(shí)現(xiàn)話音處理。遙控器可對電臺進(jìn)行遠(yuǎn)程控制[1]，并提供可視化顯示功能，具備多級菜單式人機(jī)交互界面。

1 遙控器控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 應(yīng)用場景

遙控器系統(tǒng)應(yīng)用場景，如圖1所示。相對于無線通信[2]，有線通信的優(yōu)勢為傳送穩(wěn)定、安全且抗干擾。根據(jù)實(shí)際使用場景需求，電臺遙控器選用有線傳輸，通過外接電纜與電臺互連。

圖1 遙控器系統(tǒng)應(yīng)用場景

遙控電纜實(shí)現(xiàn)遙控器設(shè)備供電及對外通信。傳輸信號包含電源信號和RS422接口信號。RS422接口傳輸按鍵操作指令、顯示控制指令、話音數(shù)據(jù)（基帶數(shù)字話音數(shù)據(jù)/聲碼話音數(shù)據(jù)）等信息。

遙控器傳輸按鍵操作指令給電臺解析，并接收來自電臺的顯示控制指令，支持對電臺的遠(yuǎn)程操作控制與狀態(tài)實(shí)時顯示。

遙控器支持處理操作員話音，具備AD/DA處理及聲碼話處理功能。它通過RS422接口與短波電臺完成語音數(shù)據(jù)交互。

1.2 控制系統(tǒng)總體方案

遙控器控制系統(tǒng)總體框圖如圖2所示[3]，由控制模塊、人機(jī)接口模塊、電源模塊、手柄、揚(yáng)聲器和液晶屏等部分組成。

圖2 遙控器控制系統(tǒng)

（1）控制模塊：遙控器核心模塊，實(shí)現(xiàn)按鍵、話音、顯示等信息處理功能。

（2）人機(jī)接口模塊：實(shí)現(xiàn)按鍵、液晶屏顯示、手柄接入及接口轉(zhuǎn)換。

（3）電源模塊：實(shí)現(xiàn)電臺提供的直流電源到遙控器內(nèi)部所需的各路電源的轉(zhuǎn)換。

（4）手柄：實(shí)現(xiàn)話音輸入/輸出、鍵控PTT輸入。

（5）揚(yáng)聲器：實(shí)現(xiàn)話音的輸出，額定功率5 W。

（6）液晶屏：實(shí)現(xiàn)人機(jī)界面的顯示。設(shè)計(jì)選用北京迪文的DMG64480K057-01WN型號液晶屏。該液晶屏為5.7寸串口屏，自帶ARM操作系統(tǒng)，可通過串口下載圖片和字庫，并通過操作命令實(shí)現(xiàn)控制。

1.3 控制器模塊設(shè)計(jì)

控制器模塊作為遙控器的核心部件[4]，主要包括FPGA單元、AD/DA單元、聲碼話單元、接口電平轉(zhuǎn)換與保護(hù)單元、音頻放大與調(diào)整單元、電源轉(zhuǎn)換單元等，如圖3所示。

圖3 控制器模塊硬件組成

1.3.1 FPGA單元

FPGA單元作為控制器模塊核心芯片，實(shí)現(xiàn)電臺同步協(xié)議、顯示控制回傳、按鍵檢測、接口轉(zhuǎn)換和時鐘處理等功能。芯片選用Xilinx的XC6SLX150-2FGG484I，包含147 443個邏輯單元，4 824 kbit片內(nèi)存儲資源，滿足現(xiàn)有及后續(xù)的功能擴(kuò)展。

1.3.2 AD/DA單元

AD/DA單元實(shí)現(xiàn)模擬話音與數(shù)字音頻之間的采樣與合成，芯片選用TI公司的TLV320AIC32，如圖4所示。該芯片是一款低功耗立體聲音頻編解碼器，支持基于寄存器的功率控制管理和輸入/輸出自動增益控制。

圖4 TLV320AIC32電路設(shè)計(jì)

1.3.3 聲碼話單元

聲碼話單元主要實(shí)現(xiàn)模擬話音到數(shù)字話音的轉(zhuǎn)換，并對話音進(jìn)行編解碼處理。

1.3.4 接口電平轉(zhuǎn)換與保護(hù)單元

接口電平轉(zhuǎn)換與保護(hù)單元實(shí)現(xiàn)遙控器內(nèi)部TTL電平信號與外部電臺RS422電平信號的轉(zhuǎn)換，采用的是MAXIM公司的MAX3491，50 m傳輸距離傳輸速率可達(dá)到2 Mb/s。保護(hù)單元實(shí)現(xiàn)接口信號保護(hù)，采用的是雙向TVS保護(hù)陣列芯片SMDA15C-7。

1.3.5 音頻放大與調(diào)整單元

音頻放大與調(diào)整單元實(shí)現(xiàn)輸入音頻信號的放大和通道選擇、輸出音頻信號的音量調(diào)整及揚(yáng)聲器驅(qū)動。該單元主要由功率放大器、運(yùn)算放大器、音量調(diào)整電路、通道選擇電路、麥克風(fēng)前置放大器和平衡非平衡變換等組成，如圖5所示。

圖5 音頻放大與調(diào)整原理

1.4 開發(fā)平臺

電路設(shè)計(jì)和仿真實(shí)驗(yàn)選用硬件開發(fā)工具Cadence實(shí)現(xiàn)。FPGA設(shè)計(jì)平臺為賽靈思公司其配套的ISE開發(fā)套件，采用VHDL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)。

2 可編程芯片F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)

FPGA作為設(shè)備控制核心，主要完成以下功能：

（1）模擬話音和聲碼話音數(shù)據(jù)的控制收發(fā)處理；

（2）遙控接口協(xié)議處理；

（3）鍵盤處理；

（4）顯示控制。

2.1 FPGA總體方案

遙控器的FPGA總體實(shí)現(xiàn)方案，如圖6所示。

圖6 遙控器FPGA架構(gòu)設(shè)計(jì)

電臺操作員對遙控器顯示界面的內(nèi)容進(jìn)行按鍵選擇。FPGA的“按鍵信息處理模塊”對進(jìn)行信息解析，經(jīng)FIFO緩存，再由“電臺接口數(shù)據(jù)處理模塊”進(jìn)行封幀處理后發(fā)送至電臺。電臺根據(jù)按鍵信息將顯示控制命令回傳，經(jīng)FPGA的“電臺接口數(shù)據(jù)處理模塊”解幀，通過FIFO緩存，再由“顯示控制信息處理模塊”完成對液晶屏控制。

電臺端話音通信包括接收與發(fā)送兩個方向的處理。發(fā)送方向，設(shè)備通過手柄接收來自操作員話音信號，并數(shù)字化處理。FPGA根據(jù)配置參數(shù)選擇來自TLVAIC32芯片或聲碼模塊的話音數(shù)據(jù)，經(jīng)“AD/DA模擬話處理模塊”或“聲碼話處理模塊”處理，通過FIFO緩存，再由“電臺接口數(shù)據(jù)處理模塊”將話音數(shù)據(jù)封幀后發(fā)送至電臺。話音接收方向，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)對電臺話音數(shù)據(jù)的解幀處理，并轉(zhuǎn)發(fā)給外部TLVAIC32芯片或聲碼模塊處理，最后由手柄和揚(yáng)聲器播放。

FPGA通過上述按鍵、顯示、話音信息的處理，達(dá)到對電臺的配置、查詢和管理的效果。

2.2 FPGA各模塊設(shè)計(jì)

為方便實(shí)現(xiàn)遙控器FPGA的功能，設(shè)計(jì)按模塊劃分，包括電臺接口數(shù)據(jù)處理模塊、聲碼話處理模塊、AD/DA模擬話處理模塊、按鍵信息處理模塊和顯示控制信息處理模塊。

2.2.1 電臺接口數(shù)據(jù)處理模塊

電臺接口數(shù)據(jù)處理模塊主要實(shí)現(xiàn)與電臺交互數(shù)據(jù)的同步、組幀、拆幀，并轉(zhuǎn)發(fā)到FIFO緩存中。遙控接口電氣特性符合RS422規(guī)范，接口為同步串口，接口速率為1.25 Mb/s，同步時鐘為1.25 MHz，時鐘由電臺端提供，通信流程如圖7所示。數(shù)據(jù)以協(xié)議幀（發(fā)送幀和接收幀）為單位進(jìn)行傳輸，協(xié)議幀的傳輸速率為2 000幀/秒，每幀中包含625 bits。圖8為協(xié)議幀字段組成結(jié)構(gòu)。

圖7 電臺與遙控器的通信流程

圖8 協(xié)議幀字段組成

2.2.2 聲碼話處理模塊

聲碼話處理模塊主要完成與聲碼模塊的數(shù)據(jù)交互，以及與電臺接口數(shù)據(jù)處理模塊之間的跨時鐘域處理。聲碼模塊的數(shù)據(jù)接口采用同步串行接口，所有編解碼數(shù)據(jù)流都封裝成數(shù)據(jù)幀進(jìn)行傳輸。一個數(shù)據(jù)幀中包含13 Byte，接口時序如圖9、圖10所示（方向相對于遙控器）。聲碼話處理模塊與電臺數(shù)據(jù)處理模塊之間的跨時鐘域處理采用異步FIFO實(shí)現(xiàn)。

圖9 待解碼數(shù)據(jù)輸出時序

圖10 已編碼數(shù)據(jù)輸入時序

2.2.3 AD/DA模擬話處理模塊

AD/DA模擬話處理模塊實(shí)現(xiàn)模擬話音與數(shù)字音頻之間的采樣與合成，采用TI公司的TLV320AIC32芯片。FPGA通過I2C接口對芯片進(jìn)行初始化參數(shù)配置；采用同步串行接口與FPGA交互音頻碼流數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)中，TLV320AIC32芯片配置為話音單聲道、64 kHz采樣率、16 bit量化。芯片工作模式采用左調(diào)整模式（LEFT JUSTIFIED MODE），其時序圖如圖11所示。

圖11 TLV320AIC32芯片左調(diào)整模式時序圖

芯片主要寄存器參數(shù)配置如下：

Register2:0x00：ADC/DAC采樣速率Fs=Fsref；

Register3:0x30：關(guān)閉PLL；Q=6；

Register7:0x08：Fsref=64 kHz，ADC/DAC采用單速率模式，左聲道對應(yīng)左通道DAC路徑，關(guān)閉右通道DAC路徑；

Register8:0xf0：主模式，BCLK和WCLK為輸出；

Register9:0xC0：左調(diào)整模式，字長n=16 bit；

Register15:0x00：打開左通道ADC PGA，增益0 dB；

Register19:0x04：打開左通道ADC，并將LINE1L的模擬話音送至左通道ADC中，增益0 dB；

Register37:0x80：打開左通道DAC；

Register41:0x40：左通道DAC的輸出選擇路徑DAC_L3以連接到左聲道輸出；

Register43:0x00：打開左通道DAC的輸出，增益0 dB；

Register86:0x0B：左聲道LEFT_LOP/M作為話音輸出，輸出電平0 dB。

2.2.4 顯示控制信息處理模塊

該模塊完成液晶顯示器的管理和控制，電臺液晶面板內(nèi)容的遠(yuǎn)程同步顯示。設(shè)計(jì)選用液晶屏的接口為UART接口，因此采用FPGA實(shí)現(xiàn)UART發(fā)送功能，由UART發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)。

UART發(fā)送模塊接收需要發(fā)送的并行數(shù)據(jù)，將通過串并轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，且按照規(guī)定的數(shù)據(jù)格式和波特率，在發(fā)送模塊時鐘下從端口輸出至液晶屏串行接口。

2.2.5 按鍵信息處理模塊

該模塊完成遙控器面板按鍵操作的掃描、編碼及去抖動處理[5]，處理流程如圖12所示。硬件設(shè)計(jì)將按鍵排列成矩陣形式，即行列鍵盤。當(dāng)按鍵被按下時，其交點(diǎn)的行線和列線接通，相應(yīng)的行線或列線上的電平發(fā)生變化。此時，F(xiàn)PGA通過檢測行列電平變化確定被選中的按鍵值。由于機(jī)械開關(guān)閉合時的彈性作用，導(dǎo)致按鍵閉合或斷開瞬間會伴隨一連串抖動，因此需要實(shí)現(xiàn)按鍵消抖功能。按鍵的機(jī)械性決定其抖動時間，一般為5～10 ms。因此，當(dāng)按鍵閉合時，F(xiàn)PGA對鍵值鎖定。延遲10 ms時，再次鎖定鍵值，并判斷兩次鍵值是否一致。若鍵值一致，則判定為一次有效的按鍵操作；否則，為機(jī)械抖動，F(xiàn)PGA重新進(jìn)行下一次掃描。最后，F(xiàn)PGA對判定后的結(jié)果進(jìn)行鍵值譯碼。

圖12 按鍵信息處理流程

3 結(jié) 語

通過上述硬件電路及可編程邏輯FPGA的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電臺遙控器的“一控雙顯”及“話音處理”功能。該遙控器在實(shí)際應(yīng)用中取得了很好效果，人機(jī)接口操作方便，聲碼話音和模擬話音清晰可辨。綜上所述，該遙控器的應(yīng)用解決了電臺設(shè)備與操作控制臺空間分離，具備很好的應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn)：

[1] QIAN Min.EDA Implementation of Infrared Remotecontrol Transmit/Receive Data Communication System[J].Semiconductor Technology,2009(04):393-396.

[2] 楊萍.基于FPGA的功放遙控控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2016.YANG Ping.Design and Implementation of Power Amplifier Remote Control System Based on FPGA[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology,2016.

[3] 袁憲鋒,周風(fēng)余,王然等.基于ARM的嵌入式移動機(jī)器人遙控器設(shè)計(jì)[J].北京聯(lián)合大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2012,26(03):26-30,34.YUAN Xian-feng,ZHOU Feng-yu,WANG Ran,et al.Design of an Embedded Mobile Robot Remote Controller Based on ARM[J].Journal of Beijing Union University(Natural Sciences),2012,26(03):26-30,34.

[4] 席彥彬.學(xué)習(xí)型遙控器原理及常見故障簡介[J].電視技術(shù),2013,37(12):39-44.XI Yan-bin.Learning Remote Control Principle and Fault Introduction[J].Video Engineering,2013,37(12):39-44.

[5] 康雨春.幾種常用開關(guān)防抖電路的簡介[J].電子世界,2009(11):43-44.KANG Yu-chun.Brief Introduction of Several Common Switch Anti Shake Circuits[J].Electronics World,2009(11):43-44.