基于ARM9的無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、引言

　　隨著無線電臺技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的行業(yè)開始使用無線電。數(shù)據(jù)傳輸速率從低速走到高速，傳輸?shù)男盘枏暮唵未a發(fā)展到遙控遙測數(shù)據(jù)、數(shù)字化語音、動態(tài)圖像等。無線電臺因其高穩(wěn)定性和高可靠性適用于各類無線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，尤其是應(yīng)用在輸油供氣管網(wǎng)監(jiān)測、城市防空報(bào)警控制、鐵路信號監(jiān)控、電力負(fù)荷監(jiān)控[2]、城市路燈監(jiān)控、鐵路供水集中控制、GPS定位系統(tǒng)、地震測報(bào)、污水處理、環(huán)境監(jiān)測等工業(yè)自動化系統(tǒng)。
 

　　2、系統(tǒng)概述

　　本文把嵌入式技術(shù)與無線電臺通信技術(shù)相結(jié)合，研究出一種新型的嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器。控制器內(nèi)的電路板是以ARM9嵌入式微處理器為核心，對外提供多個接口，包括3個串口，小型的系統(tǒng)總線接口，以及非常豐富的常用嵌入式系統(tǒng)接口，如SPI x 1、I2C x 1、I2S x 1、AD x 2、PWM x 1 、USB Host、 USB Slave接口等，有了這些接口，我們可以根據(jù)需求拓展嵌入式網(wǎng)絡(luò)控制器的功能。在本系統(tǒng)中我們主要使用3個串口及以太網(wǎng)口。

　　該無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器設(shè)計(jì)的主要原理是：電臺接收對講機(jī)發(fā)出的語音信號并通過音頻電纜輸出到網(wǎng)絡(luò)控制器終端?？刂破鲀?nèi)的語音編解碼芯片負(fù)責(zé)把模擬的語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，控制器內(nèi)的軟件負(fù)責(zé)壓縮音頻數(shù)據(jù)，壓縮后的語音數(shù)據(jù)包通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器軟件根據(jù)一定的規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到其它網(wǎng)絡(luò)控制器終端。收到語音壓縮碼流的控制器負(fù)責(zé)解碼、D/A轉(zhuǎn)換，通過音頻電纜把語音信號輸入到電臺，最后無線電臺通過內(nèi)部的發(fā)射模塊將語音信號發(fā)送到對講機(jī)。這個過程實(shí)現(xiàn)了語音數(shù)據(jù)跨互聯(lián)網(wǎng)傳輸，用戶通過PC或其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備將控制指令發(fā)送到控制器終端。終端內(nèi)的軟件負(fù)責(zé)解釋指令并且通過串口將指令傳送給電臺。電臺再下達(dá)指令給各個被控制的設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)了對電臺及相關(guān)設(shè)備的遠(yuǎn)程控制。

　　3、硬件設(shè)計(jì)

　　在分析了無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器工作原理的基礎(chǔ)上，我們對系統(tǒng)的子模塊和任務(wù)進(jìn)行了整體設(shè)計(jì)。整個系統(tǒng)可以分成兩個相對獨(dú)立的部分來完成：無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器終端和服務(wù)器軟件?？刂破?將編碼后的g72x碼流發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器根據(jù)路由表信息，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到控制器2、控制器3、控制器4…控制器n，控制器與服務(wù)器之間采用TCP或UDP協(xié)議。無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

　　圖1 無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器結(jié)構(gòu)圖

　　硬件設(shè)計(jì)除了核心板的選型外，主要是外部電路的設(shè)計(jì)。我們選擇了性價比比較好的SBC-2410核心板。外圍電路的設(shè)計(jì)主要包括音頻信號采集模塊、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、串口控制電路等[3]，其中音頻信號采集電路我們選的是uda1341語音編解碼芯片，網(wǎng)絡(luò)控制器芯片我們采用的是cs8900芯片。

　　3.1 嵌入式核心板簡介

　　SBC-2410具有高性能、低功耗、接口豐富和體積小等優(yōu)良特性，并且已經(jīng)應(yīng)用在多個設(shè)計(jì)中，基于可重用的思想，整個平臺承載ARM最精簡系統(tǒng)，把有用的信號線通過兩排插針引出去。無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器終端的具體應(yīng)用按照實(shí)際的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過兩排插座與核心板相連[4]。

　　3.2 語音芯片接口電路

　　由于S3C2410內(nèi)置的IIS總線接口能夠和其他廠商提供的多媒體編解碼芯片配合使用，所以無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器終端內(nèi)部語音模塊的設(shè)計(jì)是基于IIS(Integrate InteRFace of Sound)接口的。提供IIS接口能夠讀取IIS總線上面的數(shù)據(jù)，同時也為FIFO(First Input First Output)數(shù)據(jù)提供DMA(Direct Memory Access)的傳輸模式，這樣能夠同時傳送和接收數(shù)據(jù)。IIS接口有3種工作方式，分別是正常傳輸模式、DMA模式和傳輸/接受模式，在本文的設(shè)計(jì)中，我們選擇了傳輸/接受模式，在這種模式下，IIS總線可以同時接收和發(fā)送音頻數(shù)據(jù)。3.3 網(wǎng)絡(luò)芯片接口電路

　　S3C2410內(nèi)嵌一個以太網(wǎng)控制器，可以在半雙工或全雙工模式下提供10M/100Mbps的以太網(wǎng)接入，支持媒體獨(dú)立接口MII(Media Independent Interface) 和帶緩沖DMA接口。由于S3C2410內(nèi)部并未提供物理層接口，所以我們需要外接一塊物理層芯片以提供以太網(wǎng)的接入通道。而常用的單口10M/100Mbps高速以太網(wǎng)接口器件均提供MII接口和傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口，所以可以方便地與ARM連接。

　　在無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器終端，我們采用cs8900作為以太網(wǎng)物理層接口。它的基本工作原理如下：在收到主機(jī)發(fā)來的數(shù)據(jù)報(bào)后，偵聽網(wǎng)絡(luò)線路是否忙。如果線路忙，它就等到線路空閑為止，否則，立即發(fā)送該數(shù)據(jù)幀。在發(fā)送過程中，首先添加以太網(wǎng)幀頭，然后生成CRC校驗(yàn)碼，最后將此數(shù)據(jù)幀發(fā)送到以太網(wǎng)上。在接受過程中，它將從以太網(wǎng)收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過解碼、去幀頭和地址檢驗(yàn)等步驟，然后保存在片內(nèi)。在通過CRC校驗(yàn)后，它會根據(jù)初始化配置情況，通知cs8900收到了數(shù)據(jù)幀，最后，用某種傳輸模式傳到ARM的存儲區(qū)中[5]。

　　cs8900有三種工作模式：I/O模式、存儲器模式和直接存儲器存儲模式，系統(tǒng)默認(rèn)為I/O模式，可通過程序使其工作于其它模式。cs8900的各個工作模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們采用的是它的I/O模式。

　　網(wǎng)卡芯片不能單獨(dú)工作，還必須有一個網(wǎng)絡(luò)變壓器在RJ-45接口和網(wǎng)絡(luò)芯片中間進(jìn)行電平交換。另外網(wǎng)卡芯片有兩個LED指示是用于指示接收和發(fā)送狀態(tài)的，如果網(wǎng)絡(luò)連接正常并且正常收發(fā)數(shù)據(jù)報(bào)時，LED會閃爍。

　　4、軟件設(shè)計(jì)

　　在本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)中，主要包括無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器終端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)及服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)[6]。

　　4.1 無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器終端應(yīng)用程序設(shè)計(jì)

　　無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器終端應(yīng)用軟件整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。應(yīng)用軟件結(jié)構(gòu)圖顯示了系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)主要由四個模塊組成，分別是語音及串口數(shù)據(jù)處理模塊、工作參數(shù)設(shè)置及讀取模塊、出廠值還原模塊、服務(wù)器中轉(zhuǎn)及管理模塊。其中前三個模塊運(yùn)行于嵌入式開發(fā)板，最后一個模塊運(yùn)行于windows 平臺。四個模塊中，語音及串口數(shù)據(jù)處理模塊是功能相對復(fù)雜的模塊，劃分為兩個相對獨(dú)立的模塊：語音數(shù)據(jù)處理模塊和串口數(shù)據(jù)處理模塊，其中語音數(shù)據(jù)處理模塊又由3個子模塊構(gòu)成，分別是讀鍵值、讀網(wǎng)絡(luò)命令和語音數(shù)據(jù)流處理。工作參數(shù)的設(shè)置主要是對寫配置文件和讀配置文件的設(shè)置。

　　4.2 服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

　　服務(wù)器監(jiān)控及控制模塊的程序設(shè)計(jì)中，我們主要使用兩個定時器。定時器1每隔2秒產(chǎn)生一個超時事件，服務(wù)器每隔2秒向集群發(fā)送一次查詢數(shù)據(jù)包，控制器收到查詢數(shù)據(jù)包后，會產(chǎn)生一個應(yīng)答包，這個應(yīng)答包中的信息反映了控制器當(dāng)前的狀態(tài)。

　　5、系統(tǒng)運(yùn)行截面圖

　　系統(tǒng)的調(diào)試過程中，我們用了2個無線電臺及服務(wù)器進(jìn)行測試。服務(wù)器運(yùn)行界面截圖如圖3所示。我們設(shè)置2個無線電臺網(wǎng)絡(luò)控制器終端的IP地址分別是192.168.0.8和192.168.0.18。按下對講機(jī)的PPT按鍵時，指示燈由綠燈變成藍(lán)燈，表明服務(wù)器進(jìn)入轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)。如果想隔離某個控制器，不讓其接受或轉(zhuǎn)發(fā)信號，則在遠(yuǎn)程控制的框中，輸入對應(yīng)的IP地址，然后選擇關(guān)閉，則可以對其進(jìn)行隔離。

　　與其相對應(yīng)的指示燈呈紅色。若想關(guān)閉或打開所有的控制器，則按遠(yuǎn)程控制框中相應(yīng)的按鈕即可實(shí)現(xiàn)。

　　 kiss modem軟件是摩托羅拉電臺的專用管理軟件，該軟件通過串口與電臺通信，通過讀取電臺的數(shù)據(jù)就可以知道電臺當(dāng)前的工作狀態(tài)然后通過窗口顯示相關(guān)信息。我們通過遠(yuǎn)程串口對電臺下達(dá)指令，kiss modem會對指令做出響應(yīng)，如圖4所示。當(dāng)我們把對講機(jī)的信道切換按鈕撥到1時，對講機(jī)發(fā)出一個信號給電臺，電臺通過串口把信號傳輸給控制器，kiss modem軟件把數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)出去，另一個控制器經(jīng)過網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口的數(shù)據(jù)傳輸，從而電臺ID會顯示1001，以此類推，目前最多可以設(shè)置14個電臺6 結(jié)束語。

　　圖4 遠(yuǎn)程串口成功控制kiss modem軟件截圖

　　實(shí)踐證明，本文所設(shè)計(jì)的電臺網(wǎng)絡(luò)控制器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基本的功能，調(diào)試結(jié)果證明硬件設(shè)計(jì)方案完全滿足產(chǎn)品的功能需求，軟件設(shè)計(jì)采用功能優(yōu)異的嵌入式Linux操作系統(tǒng)方便了今后軟件的升級。整個系統(tǒng)造價低廉、運(yùn)行可靠、易于施工和維護(hù)，在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中有較大的推廣價值。