一種基于HS6760和KT0863R的全國產(chǎn)話音系統(tǒng)設計

仝林林，陳 璇

(山西銀河電子設備廠，山西 太原 030000)

0 引言

在進口元器件形式日益嚴重的今天，全國產(chǎn)化產(chǎn)品的重要性越來越凸顯，尤其在保密要求比較高的應用中，自主可控成為更多產(chǎn)品的一項重要指標[1]。同時，在很多產(chǎn)品中，人們都可以看到話音系統(tǒng)的身影[2]?；诖耍菊撐脑O計了一款全國產(chǎn)化話音系統(tǒng)。

1 實現(xiàn)方案概述

該系統(tǒng)由發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和MCU控制系統(tǒng)組成。發(fā)射功能主要由北京中科漢天下的FM發(fā)射芯片HS6760完成。該芯片是一款高性能立體聲調(diào)頻發(fā)射芯片，同時支line-in輸入和直接MIC輸入。由于本文的話音系統(tǒng)的輸入為手柄，所以本文設計單聲道輸入。接收功能由北京昆騰公司的芯片KT0863R實現(xiàn)，該芯片支持的頻率范圍為32 MHz～110 MHz，具有很高的信噪比和接收靈敏度。由于專有的調(diào)諧技術(shù)，即使使用很短的天線，接收機也能保持良好的信號接收，而且該芯片的集成度很高。這減少了外圍器件的數(shù)量，為產(chǎn)品的小型化提供了很大便利，同時提供了真正的單芯片、全波段調(diào)頻和多功能無線電解決方案。由于該芯片含有數(shù)字低中頻架構(gòu)和內(nèi)部集成LNA自動增益控制，所以無需外部濾波器和頻率調(diào)諧設備。此外，該芯片高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器高質(zhì)量的模擬和數(shù)字濾波器以及片內(nèi)高保真的AB類驅(qū)動器和低噪聲自調(diào)諧VCO，進一步消除了外部音頻放大器的需求，可以直接驅(qū)動立體聲耳機，大大簡化了系統(tǒng)的硬件設計。

芯片HS6760和KT0863R控制接口均為IIC接口，本系統(tǒng)通過GD32F107實現(xiàn)對收發(fā)芯片的配置功能[3]。IIC接口是由START信號、命令字節(jié)、數(shù)據(jù)字節(jié)，及每個字節(jié)后的ACK或NACK比特，和STOP組成，命令字節(jié)包括一個7比特的chip 地址(0011000b)和一個讀寫r/w 命令比特。

MCU通過發(fā)送不同的器件地址和讀寫位組成的命令字節(jié)，分別實現(xiàn)對芯片HS6760和芯片KT0863R的配置，同時，通過判斷接收信息的地址，來判斷讀取的狀態(tài)信息為發(fā)射芯片還是接收芯片。

HS6760的器件地址為0011000B，加上讀寫標志位，即為0x30(寫操作)和0x31(讀操作)。KT0863R的器件地址為01101010，加上讀寫標志，即為0x6A(寫操作)和0x6B(寫操作)。讀寫方式采用標準IIC接口協(xié)議。

2 硬件方案

本文的MCU選擇兆易創(chuàng)新生產(chǎn)的GD32F107芯片，該芯片完全兼容STM32F107，具有豐富的外設和GPIO資源，包含本設計中需要的IIC接口。HS6760和KT0863R均支持多種晶體振蕩器。本方案中，HS6760選擇北京晨晶的12 MHz晶體振蕩器，KT0863R選擇32.768 KHz產(chǎn)品，并在軟件中做相應配置，供電選用上海貝嶺的電源芯片BL8034和BL1117，從而實現(xiàn)了話音系統(tǒng)的全國產(chǎn)化設計。

在其他外圍電路中，選用了發(fā)光二極管作為信號指示燈，蜂鳴器產(chǎn)生振鈴信號，按鍵產(chǎn)生呼叫信號和接通語音。

為了收發(fā)電平匹配，本方案分別在發(fā)送端和接收端均設計了T型和pi型衰減網(wǎng)絡，在實際測試過程中，可以根據(jù)測試結(jié)果對電阻阻值進行調(diào)整，具體原理圖設計和實物局部如圖1和圖2所示。

圖1 HS6760原理

圖2 KT0863R原理

3 軟件實現(xiàn)

3.1 軟件配置

軟件利用C語言進行實現(xiàn)，分為系統(tǒng)配置、外設配置、收發(fā)芯片配置、振鈴處理、通信狀態(tài)指示等幾部分功能。

其中，收發(fā)芯片配置分別為對芯片HS6760和KT0863R的配置，對收發(fā)芯片的配置接口為IIC接口，由于收發(fā)芯片具有不同的芯片地址，所以主程序利用一個IIC接口，通過CHIP ID實現(xiàn)對不同芯片的控制。進行對芯片KT0863R的具體配置過程如下。

(1)配置ratio_n。

(2)配置外部時鐘。

(3)配置ratio_p。

(4)配置其他一些參數(shù)。

HS6760的具體配置過程如下：

(1)設置芯片工作模式為Normal mode，通過寫寄存器0x01為0x06來實現(xiàn)。

(2)打開音頻通路，通過寫寄存器0x11為0x01來實現(xiàn)。

(3)手動調(diào)大頻偏，通過寫寄存器0x1d為0x70來實現(xiàn)。

(4)復位操作，通過將寄存器0x07 的最高位(bit7)先置0，延時10 ms，再置1來實現(xiàn)。

(5)設置頻點，HS6760 覆蓋的波段范圍為27 MHz～125 MHz ，最小頻率步進為50 KHz 。HS6760芯片頻點的設置可以通過配置寄存器0x00和0x01來實現(xiàn)。頻點設置完后，還應寫寄存器0x02的最低位(bit0)為0，延時10 ms，然后再寫0x02 的最低位(bit0)為1，來使設置的頻點生效。

3.2 振鈴實現(xiàn)

在傳統(tǒng)的話音系統(tǒng)中，振鈴信號都是在硬件設計的基礎上，搭建軟件實現(xiàn)的。在本設計中，振鈴功能是純軟件實現(xiàn)。設計思路為，線路空閑時，有一個默認頻點，系統(tǒng)檢測呼叫按鍵是否被按下。若按下，發(fā)送端將從空閑狀態(tài)下的代碼切換到通信時的預設頻點，然后接收端間隔固定時間檢測目標頻點信號電平，即利用KT0863R的SNR和RSSI寄存器進行設計。當目標頻點信號電平超過預設值時，認為振鈴信號到達，本地蜂鳴器進行通信提醒，程序等待接通按鍵響應，從而達到收發(fā)通信的建立。在硬件GPIO資源比較缺乏的時候，該設計可以節(jié)約控制芯片的2個管腳。

在呼叫機制中，設計了相互獨立的各種工作狀態(tài)，用于判斷本端和對端的呼叫與被呼叫狀態(tài)。利用兩臺設備實際對通信過程中的工作狀態(tài)對此進行說明，分為本端設備和對端設備。這些狀態(tài)分別如下。

(1)本端按鍵呼叫狀態(tài)。此時MCU外部線中斷接收按鍵信號，然后控制占用燈閃爍，并切換到對應的工作頻段，使得通信鏈路頻點一致，鏈路信噪比提升，這也是對端判斷是否被呼叫的依據(jù)。此時，本端處于正在呼叫對端，等待對端接通的狀態(tài)之中，同時呼叫超時計時器開始計時。

(2)本端呼叫，對端未接聽，超時自動掛斷。當本端呼叫后，若對端一直未接聽，那么當本端的超時計時器計數(shù)到達設定值后，本端自動掛斷，即控制占用燈不再閃爍，同時切換頻點到空閑頻點上，以切斷通信鏈路，降低信噪比，這也是對端判斷沒有被呼叫信號的依據(jù)。

(3)本端呼叫，對端未接聽，本端按鍵掛斷。這描述的是當本端呼叫后，若對端一直未接聽，那么在本端的超時計時器未到達時間之前，由本端人員主動按下掛斷按鍵。此時，MCU接收按鍵掛斷信號后，軟件應與狀態(tài)2響應一致，即控制占用燈不再閃爍，同時切換頻點到空閑頻點上，以切斷通信鏈路。

(4)本端呼叫，對端接聽。此時，通信鏈路處于信噪比較高的狀態(tài)，可以直接使用手柄進行語音通話。

(5)接通時，本端掛斷。這是描述當語音通話結(jié)束后，由本端主動掛斷的一種狀態(tài)，此時本端應控制空閑燈打開，占用燈熄滅，并且應切換頻點到空閑頻點上，切斷通信鏈路。

(6)本端收到呼叫信號。這是描述當本端空閑時，根據(jù)信道的信噪比值，判斷是否有對端的呼叫信號，然后使蜂鳴器發(fā)出振鈴信號，提醒工作人員收到呼叫。

(7)本端收到呼叫，按下接通按鍵。當本端按下按鍵接通后，應切換對應的空閑頻點到工作頻點，打開通信鏈路，使信噪比達到通語音的條件。

(8)接通時，對端掛斷。當接通時，檢測到通信鏈路中的信噪比急劇降低時，判斷此時應為對端掛斷，應切換本端的狀態(tài)燈顯示狀態(tài)，同時切換工作頻點到空閑頻點上。

(9)空閑狀態(tài)。這是指當本端不做任何操作，也未收到對端呼叫時的一種初始狀態(tài)。在空閑狀態(tài)時，降低發(fā)射芯片的發(fā)射功率，降低功耗，同時使頻率保持在空閑頻率，另外還要輪詢信號值的大小，及時檢測是否有對端呼叫。

以上9種狀態(tài)是設計呼叫機制的關(guān)鍵狀態(tài)，分清楚9種狀態(tài)中軟件應如何控制硬件響應，這樣才能夠獨立地設計9種狀態(tài)對應的控制代碼，使呼叫中的這幾種狀態(tài)相對獨立，條理清晰。其中，軟件中使用的響應機制分別為：按鍵使用了外部線中斷進行響應；超時計時器使用了MCU的普通定時器進行設計；狀態(tài)燈使用了普通IO口進行驅(qū)動；蜂鳴器使用了普通IO口進行驅(qū)動，并使用定時器調(diào)節(jié)占空比，控制輸出信號頻率。合理地使用各種中斷響應機制，能夠充分發(fā)揮MCU的性能，提高嵌入式系統(tǒng)的實時性。

使用了9種不同的呼叫狀態(tài)，根據(jù)外部信號的觸發(fā)來響應不同的狀態(tài)，各個狀態(tài)之間相互獨立，邏輯清晰，有益于代碼的功能實現(xiàn)和后期維護。

在軟件整體設計上，采用了主程序和中斷結(jié)合的方式。在對各個硬件完成初始化配置之后，系統(tǒng)便開始不間斷地輪詢工作頻點上的信號值的大小，以及時響應對端的信號呼叫，同時在不同的接收中斷中響應各個外部觸發(fā)信號，這樣提高了軟件工作效率，提高了MCU硬件資源的利用率。

3.3 軟件設計流程

本系統(tǒng)的軟件設計主要包括系統(tǒng)時鐘初始化，IIC接口初始化，HS6760和KT0863R芯片配置及初始化，等待呼叫按鍵響應，檢測接收信號大小，改變LED指示燈狀態(tài)，改變蜂鳴器狀態(tài)，等待掛斷信號等幾部分。算法結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 算法結(jié)構(gòu)

4 結(jié)語

本文利用GD32F107作為控制芯片，HS6760作為發(fā)射芯片，KT0863R作為接收芯片，搭配軟件，實現(xiàn)了一種全國產(chǎn)化話音收發(fā)系統(tǒng)，并利用KT0863R的指定頻點信號功率檢測功能，實現(xiàn)了收發(fā)信統(tǒng)的振鈴功能，節(jié)約了硬件GPIO資源，簡化了軟件設計，達到了預期功能的實現(xiàn)，對類似設計具有一定的指導意義，同時為全國產(chǎn)化話音系統(tǒng)提供了一種解決方案。