基于STM32的超短波電臺FM明話測試系統(tǒng)

揚州萬方電子技術(shù)有限責任公司 郭 斌

FM明話性能是軍用電臺的重要指標，為測試FM明話性能，設(shè)計了測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)由STM32單片機、液晶顯示、矩陣鍵盤、FM收發(fā)模塊、音頻輸入/輸出模塊、音頻濾波器、功率放大模塊構(gòu)成，能夠與電臺進行遠距離下語音通信測試，顯示聲音強度、音調(diào)。經(jīng)測試該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，能夠數(shù)字式控制測試系統(tǒng)完成FM明話性能測試，可為其它相關(guān)系統(tǒng)提供設(shè)計參考。

引言：軍用電臺主要用于語音數(shù)傳通信，但大部分時間都是使用語音通信，其中明話通信是使用頻次較多且能與其它通信系統(tǒng)直接通信的手段。FM明話是其中必不可少的一項功能，為測試軍用電臺在不同距離，不同環(huán)境下的FM明話性能設(shè)設(shè)計了基于STM32的超短波電臺FM明話測試系統(tǒng)。

STM32具有使用簡單、庫函數(shù)全面的特點，其具有豐富的片上資源和良好的擴展性，能夠適配多種操作系統(tǒng)，也具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，為此適用范圍廣泛。作為測試系統(tǒng)，應(yīng)具有記錄測試語音數(shù)據(jù)的能力，為此設(shè)計了音頻輸入/輸出模塊，將語音數(shù)據(jù)以PCM編碼形式保留，作為后續(xù)分析的需要。

綜上，采用STM32為片上系統(tǒng)，以液晶顯示、矩陣鍵盤、FM收發(fā)模塊、音頻輸入/輸出及其配套模塊作為子系統(tǒng)模塊，設(shè)計開發(fā)了面向超短波FM明話測試的系統(tǒng)，為其FM明話通信的測試提供依據(jù)和手段。

1.測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

本部分首先給出整個測試系統(tǒng)的架構(gòu)，然后逐步介紹各子模塊的硬件設(shè)計，各子模塊包括：單片機控制模塊、LCD顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、音頻輸入模塊、音頻輸出模塊、音頻濾波模塊、FM收發(fā)模塊、功放模塊、電源模塊。

測試系統(tǒng)總體框架：

測試系統(tǒng)由若干個模塊構(gòu)成，主要包括單片機控制模塊、電源模塊、LCD顯示模塊、矩陣鍵盤模塊、音頻輸入模塊、音頻輸出模塊、音頻濾波模塊、FM收發(fā)模塊、音頻功放模塊。單片機控制模塊由STM32及其外掛NANDFlash構(gòu)成，運行系統(tǒng)及其程序，用于與其它子模塊進行交互；電源模塊主要為整個系統(tǒng)提供恒定電源，為AC-DC設(shè)計，AC輸入為市電，DC輸出5V及3.3V；LCD顯示模塊用于顯示本測試系統(tǒng)中的參數(shù)，提供一種簡易的人機交互系統(tǒng)；矩陣鍵盤用于整個測試系統(tǒng)的輸入，采用市面常見的4*4鍵盤設(shè)計；音頻輸入模塊能支持麥克風及3.5mm耳機輸入，提供多種輸入方式；音頻輸出模塊提供3.5mm輸出及喇叭兩種方式；音頻模塊能提供制定頻率的濾波，確保音頻輸入/輸出的音效；FM收發(fā)模塊用于輸出特定頻率的電波，完成FM的音頻調(diào)制；功放模塊用于FM的不同功率輸出，滿足電臺拉鋸測試的需求。具體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 基于STM32的超短波電臺FM明話測試系統(tǒng)總體框圖

根據(jù)系統(tǒng)總體框圖結(jié)合各部分的參考電路，設(shè)計了如圖2所示的系統(tǒng)原理圖，設(shè)計及硬件選型均參考成熟的設(shè)計方案。

2.測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

STM32運行的操作系統(tǒng)采用成熟、可靠的UCOS，其任務(wù)為FM收發(fā)、音頻錄入、音頻濾波、音頻輸出、音頻PCM數(shù)據(jù)記錄、顯示任務(wù)、鍵盤輸入任務(wù)。

圖2 系統(tǒng)硬件原理圖

2.1 LCD液晶顯示屏的軟件開發(fā)

本設(shè)計使用的LCD液晶型號為NOKIA5110。STM32與NOKIA5110使用串行方式進行通信，只需占用5個GPIO口即可完成驅(qū)動。NOKIA5110的分辨率為84*48，可完成4行字符串的顯示。本設(shè)計使用采用滾動顯示的方式。

FM接收模式下LCD的顯示模式：

當FM收發(fā)器在接收狀態(tài)，LCD的顯示內(nèi)容如下：

第1行：顯示工作模式。

第2行：顯示FM接收器正在接收/發(fā)送的波道號，例如“94.1MHz”。

第3行：顯示FM接收模式播放的音量。第4行：顯示所在FM頻道的信號強度。

如果有更新的需要，則在第三行、第四行滾動顯示，滾動完畢后，5S后顯示音量、強度的信息。

2.2 矩陣薄膜鍵盤的軟件開發(fā)

采用掃描的形式確定鍵盤被觸發(fā)的行數(shù)和列數(shù)即可確定按鍵的位置，考慮到未內(nèi)置硬件去抖，采用軟件去抖得方式去抖。

2.3 FM收發(fā)模塊的軟件開發(fā)

FM收發(fā)模塊采用了功能豐富且驅(qū)動方式簡單的RDA5820集成電路，單片機與其交換數(shù)據(jù)使用串行方式且采用了I2C總線。由于STM32沒有硬件I2C總線，且I2C總線的時序控制較為嚴格，因此采用GPIO口驅(qū)動I2C總線，驅(qū)動參考某型開發(fā)板進行移植。STM32通過I2C總線讀寫RDA5820內(nèi)部寄存器，以完成對FM收發(fā)器工作頻道、收發(fā)模式、音量調(diào)節(jié)等參數(shù)的控制。

2.4 語音PCM數(shù)據(jù)記錄

采用44.1KHz進行采用，采樣大小為16bit，單聲道，采用WAV的標準格式進行封裝，輸出到NAND Flash中，輸出采用串口，根據(jù)自定義協(xié)議進行輸出。

3.測試系統(tǒng)的測試過程及結(jié)果

通過24小時的可靠性測試及5小時的拉距測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)Τ滩娕_進行FM明話測試，在測試期間系統(tǒng)運行正常，能夠進行語音錄入、語音輸出、語音記錄、波道調(diào)整、信息顯示的操作。

4.結(jié)論

為測試超短波電臺的FM明話性能，設(shè)計該測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)由STM32單片機、液晶顯示、矩陣鍵盤、FM收發(fā)模塊、音頻輸入/輸出模塊、音頻濾波器、功率放大模塊構(gòu)成，能夠與電臺進行遠距離下語音通信測試，顯示聲音強度、音調(diào)，能夠記錄并輸出通話的語音數(shù)據(jù)信息。經(jīng)測試該系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，能夠數(shù)字式控制測試系統(tǒng)完成FM明話性能測試，可為其它相關(guān)系統(tǒng)提供設(shè)計參考。

引文：胡錦，李湘春，馮炳軍等，基于FM接收機的可變帶寬頻率綜合器設(shè)計：電子器件，2007；②林萍，胡錦，李湘春，F(xiàn)M接收機中頻濾波器的設(shè)計：宇航計測技術(shù)，2009；王成，李文鈞，王彬，基于STM32的UHF RFID讀寫器基帶編解碼的實現(xiàn)：硅谷，2012；方永佳，基于Matlab和STM32的音頻播放設(shè)計：工業(yè)控制計算機，2016；楊秀清，于京，胡亦等，基于微處理器的PCM脈沖編碼調(diào)制原理解析實驗方法及系統(tǒng):CN 104537905 B[P].2015。