基于FPGA的無線呼叫系統(tǒng)跨學(xué)科綜合設(shè)計案例

陳學(xué)英，王 軍，習(xí)友寶

(電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 611731)

為積極響應(yīng)學(xué)校深入推進(jìn)精英人才培養(yǎng)的倡議[1]，加強(qiáng)學(xué)生的跨學(xué)科教育[2]，擬建設(shè)一批本科跨學(xué)科與集成創(chuàng)新人才培養(yǎng)的創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目[3]。電子科技大學(xué)電子實(shí)驗(yàn)中心承擔(dān)了其中的“跨學(xué)科綜合應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)” 跨學(xué)科交叉創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目。本文的案例設(shè)計是其中的一個子項(xiàng)目“基于FPGA的無線呼叫系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)”，該案例是運(yùn)用射頻通信、數(shù)字電路及EDA技術(shù)[4]解決現(xiàn)實(shí)生活和工程實(shí)際問題的一個典型案例。該案例在實(shí)現(xiàn)過程中需要運(yùn)用的知識與技術(shù)方法主要包括以下9個方面：1)數(shù)字編碼、解碼[5]；2)信號調(diào)制與解調(diào)[6]；3)信號發(fā)射與接收；4)信號混頻；5)信號放大與濾波；6)數(shù)據(jù)顯示與控制；7)通信協(xié)議[7]；8)音樂樂理知識；9)天線設(shè)計。同時還涉及現(xiàn)代電子技術(shù)設(shè)計工具的軟硬件聯(lián)合應(yīng)用、聯(lián)合測試等工程概念與方法。該案例能夠有效地將射頻電路、通信原理、數(shù)字邏輯、EDA技術(shù)、計算機(jī)應(yīng)用、現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)以及音樂樂理知識等學(xué)科基礎(chǔ)知識集成應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了跨學(xué)科知識的交叉應(yīng)用與創(chuàng)新實(shí)踐。

本項(xiàng)目研究和設(shè)計的“跨學(xué)科交叉創(chuàng)新實(shí)踐項(xiàng)目”，取材于實(shí)際工程問題，比如醫(yī)院輸液的病員無線呼叫需求，病員排隊(duì)看病的醫(yī)生無線叫號需求等，同時還可廣泛應(yīng)用于科研需求中的信息傳輸通信處理，因此該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目具有較好的工程性和應(yīng)用性、綜合性和設(shè)計性。在呼叫響應(yīng)處理上，采用音樂報警提示、號碼顯示提示、應(yīng)答燈閃爍點(diǎn)亮提示等，使設(shè)計的項(xiàng)目具有直觀性和趣味性，這樣，學(xué)生對著手設(shè)計實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目既有興趣點(diǎn)又有成就感，有效地增強(qiáng)了學(xué)生對設(shè)計的積極性和主動性。采用FPGA實(shí)現(xiàn)一段音樂呼叫響應(yīng)提示，將樂理知識有機(jī)結(jié)合應(yīng)用，使學(xué)生感覺生活中奇妙的音樂享受還可以這樣輕松地實(shí)現(xiàn)，充分體現(xiàn)了跨學(xué)綜合知識應(yīng)用的特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計概述

1.1 設(shè)計的任務(wù)與要求

以醫(yī)院輸液無線呼叫需求為對象，設(shè)計一個能夠滿足八位病員需求的無線呼叫通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有病員呼叫的按鍵發(fā)射裝置、醫(yī)護(hù)中心顯示病員呼叫號碼和音樂報警提示的接收裝置。當(dāng)病員在發(fā)射端按下需求呼叫，中心控制接收端收到病員呼叫信息后，能進(jìn)行系統(tǒng)的復(fù)位控制和應(yīng)答信號的產(chǎn)生與發(fā)射。病員發(fā)射端收到應(yīng)答確認(rèn)信號后能進(jìn)行應(yīng)答的解碼，以燈閃爍點(diǎn)亮的模式，確認(rèn)中心控制室已收到呼叫信息。

指標(biāo)要求：1)無線呼叫距離不小于30 m(考慮障礙物)；2)病員呼叫組數(shù)不低于8個；3)發(fā)射頻率不低于100 MHz(國家允許的業(yè)余無線電頻率)；4)發(fā)射功率不低于1 mW；5)接收誤碼率不小于10-3。

設(shè)計要求：1)收發(fā)端病員號碼的編碼、解碼、信號顯示、音樂報警，中心控制應(yīng)答信號的產(chǎn)生與發(fā)射，病員端應(yīng)答信號解碼確認(rèn)等，用FPGA[8]實(shí)現(xiàn)；2)收發(fā)端的調(diào)制、解調(diào)、放大、濾波、發(fā)射與接收等采用專用射頻集成芯片和PCB印制天線完成。

1.2 系統(tǒng)組成原理

系統(tǒng)的組成原理由病員呼叫發(fā)射部分和中心控制接收部分組成，主要包含無線發(fā)射模塊、無線接收模塊、FPGA邏輯設(shè)計和無線通信協(xié)議設(shè)計4個組成部分。其中，發(fā)射模塊包含編碼電路、無線發(fā)射電路及發(fā)射天線；接收模塊包括無線接收電路及接收天線；FPGA邏輯設(shè)計部分包括信號同步與編解碼電路、顯示電路、報警電路。其組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

(a)病員發(fā)射系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

(b)中心控制接收系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

發(fā)射部分包含F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的病員編碼及應(yīng)答響應(yīng)解碼電路，按照預(yù)設(shè)好的通信協(xié)議完成HDL設(shè)計，編碼后的數(shù)字基帶信號被送入射頻發(fā)射電路中，經(jīng)過射頻芯片的調(diào)制、功率放大等處理后，由差分PCB環(huán)形天線完成發(fā)射；應(yīng)答信號來之后接收解調(diào)與解碼，控制LED燈閃爍點(diǎn)亮并過一段時間自動熄滅，其發(fā)射和接收由按鈕開關(guān)控制(病員按下按鍵為發(fā)射，釋放按鍵為接收)。

差分PCB環(huán)形天線將接收到的高頻編碼調(diào)制信號送入射頻接收電路中，接收芯片將高頻編碼調(diào)制信號進(jìn)行低噪聲放大，混頻到中頻，放大并濾波后進(jìn)入解調(diào)器。解調(diào)后，變換成串行數(shù)字信號輸出給FPGA數(shù)字系統(tǒng)。FPGA對接收到的數(shù)字基帶信號進(jìn)行同步、解碼、串并轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，控制FPGA顯示電路和音樂報警電路，實(shí)現(xiàn)病人床位號的顯示和有呼求的音樂提示，接收端醫(yī)護(hù)人員按確認(rèn)鍵產(chǎn)生收到信息的應(yīng)答信號。

2 系統(tǒng)模塊設(shè)計

2.1 射頻收發(fā)模塊

綜合參數(shù)設(shè)計指標(biāo)，系統(tǒng)可選用收發(fā)一體的射頻芯片nRF401來實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的收發(fā)功能。nRF401[9]是一個具有433 MHz ISM頻段設(shè)計的真正單片UHF無線收發(fā)芯片。其最大發(fā)射功率+10 dBm，最高工作速率可以達(dá)到20 kb/s，誤碼率小于10-3。

該芯片具有高頻發(fā)射、高頻接收、PLL合成、FSK 調(diào)制、FSK解調(diào)、雙頻道切換等功能，是目前集成度較高的無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，性能優(yōu)異，功耗低，使用方便，且使用無須申請許可證。該芯片收發(fā)天線合一，開闊地使用距離最遠(yuǎn)可達(dá)1 000 m，但實(shí)際傳輸距離還與使用環(huán)境及天線尺寸、元件參數(shù)有關(guān)。本系統(tǒng)的天線尺寸參照nRF401的指標(biāo)設(shè)計，采用差分環(huán)形PCB印制天線作為收發(fā)天線，關(guān)鍵參數(shù)為環(huán)形長寬a1=15 mm、a2=25 mm；PCB走線參數(shù)銅箔厚度b1= 35 μm，走線寬度b2=1 mm。選用電路板厚度1.6 mm,天線部分不敷銅。

2.2 編碼、解碼通信協(xié)議

可參考BT2262編碼芯片[10]的通信協(xié)議構(gòu)建本項(xiàng)目的編解碼通信協(xié)議，該協(xié)議中的每個數(shù)據(jù)幀由4組連續(xù)的碼字構(gòu)成，每組碼字由12位二進(jìn)制數(shù)據(jù)與1位同步位構(gòu)成，每一位數(shù)據(jù)碼元(bit)‘0’‘1’或‘floating’均由相應(yīng)的脈位調(diào)制波形構(gòu)成。12位碼字中將A0～A7作為8位病員的有效呼叫地址線，另外4位作為病員通道的數(shù)據(jù)選通控制，為了方便設(shè)計，8位地址可全設(shè)置為“11111111”，4位數(shù)據(jù)是病員的4位編碼數(shù)據(jù)，1位同步位作為數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志。三種數(shù)據(jù)碼元的定義時序如圖2所示，圖中α為編碼、解碼的基準(zhǔn)時鐘，其中1 bit=32個編碼時鐘周期即32α。

圖2 編碼/解碼通信協(xié)議時序

2.3 基于FPGA的編碼模塊

編碼模塊由FPGA編程產(chǎn)生，主要根據(jù)編碼協(xié)議，產(chǎn)生包括同步信號在內(nèi)的13位數(shù)據(jù)碼，其中地址碼8位全為‘1’，數(shù)據(jù)碼由病員按鍵開關(guān)輸入有效后分別產(chǎn)生“0000”～“0111”的4位數(shù)據(jù)。如圖3所示，基準(zhǔn)時鐘控制八組13位的脈沖寬度調(diào)制波的產(chǎn)生，并送入八選一選擇器，選擇器由外部的3位撥碼開關(guān)設(shè)定病員的編號選擇。撥碼開關(guān)可與射頻發(fā)射電路焊接在一起。

圖3 編碼產(chǎn)生模塊

2.4 基于FPGA的解碼模塊

解碼模塊也由FPGA編程產(chǎn)生，同樣根據(jù)編解碼協(xié)議，設(shè)計基準(zhǔn)時鐘信號，對來自射頻接收的解調(diào)信號進(jìn)行脈寬計數(shù)。如圖4所示，當(dāng)FPGA檢測到低電平后，首先對同步位的低電平進(jìn)行采樣計數(shù)，對計數(shù)值與128α計數(shù)基準(zhǔn)值比較，如檢測到同步位低電平后，產(chǎn)生控制信號，進(jìn)入12位地址/數(shù)據(jù)碼計數(shù)，對數(shù)據(jù)/地址碼的高電平進(jìn)行采樣，若連續(xù)兩個計數(shù)值落在4α值區(qū)間，則產(chǎn)生bit‘0’碼，若連續(xù)兩個計數(shù)值落在12α值區(qū)間則產(chǎn)生bit‘1’，并實(shí)時將采到的‘0’或‘1’送入串并轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制信號與使能信號。對獲得的并行信號進(jìn)行七段譯碼，送入輸出數(shù)碼管顯示。控制信號控制音樂報警模塊的工作。

圖4 解碼產(chǎn)生模塊

2.5 基于FPGA的音樂報警模塊

當(dāng)病員呼叫解碼模塊產(chǎn)生控制信號后，啟動音樂報警模塊的工作。音樂模塊工作原理是：產(chǎn)生組成樂曲每個音符的頻率值(音調(diào))及其持續(xù)的時間(音長)信號，該兩個信號是樂曲能夠持續(xù)演奏的兩個基本數(shù)據(jù)，對于選定的樂曲曲譜，主要控制不同曲調(diào)的持續(xù)時間就可實(shí)現(xiàn)[11]。音樂產(chǎn)生模塊電路如圖5所示。

圖5 音樂報警模塊

2.6 應(yīng)答信號產(chǎn)生與接收模塊

在醫(yī)護(hù)中心控制室，當(dāng)病員呼叫號碼解調(diào)后，該信號被送入鎖存器鎖存，當(dāng)控制人員按下應(yīng)答按鍵，鎖存的病員編碼信號再被發(fā)射出去。當(dāng)病員發(fā)射端收到病員號碼的反饋信號后，對該信號解調(diào)、解碼，取其中四位數(shù)據(jù)碼與病員四位數(shù)碼編碼比較，若相同則產(chǎn)生控制信號驅(qū)動LED燈閃爍點(diǎn)亮，若不相同則對應(yīng)病員燈不亮，如圖6所示。

(a)應(yīng)答信號產(chǎn)生模塊

(b)應(yīng)答信號接收模塊

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)與考核

跨學(xué)科綜合系統(tǒng)設(shè)計實(shí)驗(yàn)是一個完整項(xiàng)目工程實(shí)踐過程，需要經(jīng)歷資料查詢、學(xué)習(xí)研究、方案論證、模塊設(shè)計、模塊仿真、系統(tǒng)設(shè)計、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)調(diào)試、測試分析、設(shè)計總結(jié)等過程。本項(xiàng)目在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，應(yīng)在以下6個方面加強(qiáng)對學(xué)生的教學(xué)要求與考核。

1)引導(dǎo)學(xué)生對項(xiàng)目系統(tǒng)的功能進(jìn)行需求分析，構(gòu)建系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)，了解無線收發(fā)模塊、無線通信協(xié)議、基于FPGA的邏輯設(shè)計等方面的不同處理方法[12]。

2)引導(dǎo)學(xué)生研究項(xiàng)目指標(biāo)，學(xué)習(xí)無線收發(fā)芯片nRF401的資料查詢與選用，掌握其原理與應(yīng)用及與之相連的PCB天線尺寸設(shè)計。課程提供制圖軟件的課件或錄像，學(xué)生自學(xué)并著手完成射頻收發(fā)芯片及天線組成的硬件原理圖設(shè)計，PCB圖設(shè)計，器件的裝配與調(diào)試[13]。

3)引導(dǎo)學(xué)生分析與理解病員的編解碼工作原理，查詢、選用通信協(xié)議，研究與構(gòu)建包含病員編碼信息與同步識別碼信息的基帶碼組成[14]。該過程課程提供FPGA設(shè)計的Vivado軟件使用和HDL語言的課件或錄像，提供FPGA硬件開發(fā)平臺的相關(guān)資料。要求學(xué)生完成編碼模塊的“基帶脈寬調(diào)制波發(fā)生器”“調(diào)制波輸出選擇器”，解碼的模塊“脈寬計數(shù)”“同步碼判別”“0/1碼判別”等，還有其他模塊，如“基準(zhǔn)信號源產(chǎn)生”“按鍵識別與消抖”“并串轉(zhuǎn)換”“數(shù)碼顯示”“應(yīng)答信號產(chǎn)生與接收”等模塊的HDL設(shè)計與仿真。

4)引導(dǎo)學(xué)生查閱資料研究音樂樂譜基于FPGA設(shè)計的模塊組成，比如音階(音調(diào))產(chǎn)生電路的構(gòu)成、樂譜音長電路的構(gòu)成，選定固定樂譜(比如《兩只老虎》)，完成該音樂電路的HDL設(shè)計及仿真。

5)指導(dǎo)學(xué)生實(shí)現(xiàn)編碼電路、解碼電路、輸出顯示與報警電路及應(yīng)答產(chǎn)生電路的FPGA下載調(diào)試，并用示波器查看其波形的時序。將編碼和應(yīng)答電路連接發(fā)送模塊，解碼和輸出處理電路連接接收模塊。調(diào)試收發(fā)通信，發(fā)射病員需求信號，觀測發(fā)送調(diào)制波形與接收解調(diào)波形，觀察中心控制接收端數(shù)碼管的號碼顯示與音樂報警；中心控制接收端收到信號后進(jìn)行系統(tǒng)的復(fù)位與應(yīng)答信號的發(fā)送，觀察病員發(fā)射端FPGA平臺的LED顯示；拉開收發(fā)距離多次對收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行測量，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

6)實(shí)驗(yàn)采用項(xiàng)目結(jié)題的方式進(jìn)行考核[15]，組織學(xué)生以項(xiàng)目演講、答辯、評講的形式進(jìn)行交流，了解不同解決方案及其特點(diǎn)，拓寬知識面。其考核包括答辯、成果驗(yàn)收與論文報告的撰寫。成果驗(yàn)收包括射頻收發(fā)模塊實(shí)物驗(yàn)收；功能與性能指標(biāo)的完成程度，如能否正常發(fā)射、正常接收，收發(fā)距離、病員號碼能否正常顯示，音樂信號是否產(chǎn)生，應(yīng)答信號工作是否正常等。項(xiàng)目答辯包括了語言表達(dá)清晰度、原理描述正確性、實(shí)現(xiàn)過程完善性、問題理解通透性。實(shí)驗(yàn)報告涵括了電路方案的合理性、HDL語言設(shè)計的優(yōu)化性、文本結(jié)構(gòu)的清晰性、內(nèi)容描述的充實(shí)性、格式要求的規(guī)范性、數(shù)據(jù)測量的完整性、元件選擇的合理性及成本核算與損耗的考慮以及自主創(chuàng)新方面，包括功能構(gòu)思、電路設(shè)計的創(chuàng)新性，自主思考與獨(dú)立實(shí)踐能力。

4 結(jié)束語

系統(tǒng)經(jīng)過以上的軟硬件聯(lián)合設(shè)計，將程序下載配置寫入FPGA開發(fā)板的PROM中固化，連接收發(fā)模塊、搭建調(diào)試平臺。試驗(yàn)結(jié)果表明，發(fā)射功率10 dBm，有障礙空間的傳輸半徑40 m以內(nèi)的情況下，收發(fā)系統(tǒng)正常工作，接收波形和預(yù)期一致，同時病人號碼正確顯示，蜂鳴器樂曲正常演奏，預(yù)期功能基本實(shí)現(xiàn)。通過此次項(xiàng)目鍛煉，學(xué)生對射頻技術(shù)、無線通信協(xié)議及印制環(huán)形天線知識有了更為直觀的認(rèn)識和深入的理解，音樂報警的融入也增強(qiáng)了跨學(xué)科知識面的應(yīng)用拓展。硬件模塊與FPGA的設(shè)計大大提高了學(xué)生的軟硬件聯(lián)合設(shè)計水平和能力。