基于ARM9的無線電臺網(wǎng)絡控制系統(tǒng)的設計與研究

1、引言

        在如今的信息時代，由于人們對系統(tǒng)性能和成本控制要求的不斷提高，嵌入式系統(tǒng)憑其優(yōu)良的性價比和獨特的便利性得到了越來越多的人們的青睞。無線電臺已經(jīng)由傳統(tǒng)的模擬式向數(shù)字化演進，由孤立系統(tǒng)向網(wǎng)絡互聯(lián)邁進。網(wǎng)絡技術(shù)的快速發(fā)展極大地推動了嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展。

        隨著無線電臺技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的行業(yè)開始使用無線電臺，因為用無線電臺方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視與控制，相對于架設專用的電纜或光纜，具有造價低廉、運行可靠、維護方便等優(yōu)點[1]。無線電臺的使用從最早的按鍵電碼、電報發(fā)展到模擬電臺加無線MODEM、數(shù)字電臺和DSP及軟件無線電。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)，尤其是應用在輸油供氣管網(wǎng)監(jiān)測、城市防空報警控制、鐵路信號監(jiān)控、電力負荷監(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、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)絡控制器設計的主要原理是：電臺接收對講機發(fā)出的語音信號并通過音頻電纜輸出到網(wǎng)絡控制器終端?？刂破鲀?nèi)的語音編解碼芯片負責把模擬的語音信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，控制器內(nèi)的軟件負責壓縮音頻數(shù)據(jù)，壓縮后的語音數(shù)據(jù)包通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送到服務器，服務器軟件根據(jù)一定的規(guī)則轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到其它網(wǎng)絡控制器終端。收到語音壓縮碼流的控制器負責解碼、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。這個過程實現(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)絡設備將控制指令發(fā)送到控制器終端。終端內(nèi)的軟件負責解釋指令并且通過串口將指令傳送給電臺。電臺再下達指令給各個被控制的設備，從而實現(xiàn)了對電臺及相關(guān)設備的遠程控制。

3、硬件設計

        在分析了無線電臺網(wǎng)絡控制器工作原理的基礎(chǔ)上，我們對系統(tǒng)的子模塊和任務進行了整體設計。整個系統(tǒng)可以分成兩個相對獨立的部分來完成：無線電臺網(wǎng)絡控制器終端和服務器軟件?？刂破?將編碼后的g72x碼流發(fā)送到服務器，服務器根據(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，控制器與服務器之間采用TCP或UDP協(xié)議。無線電臺網(wǎng)絡控制器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

        硬件設計除了核心板的選型外，主要是外部電路的設計。我們選擇了性價比比較好的SBC-2410核心板。外圍電路的設計主要包括音頻信號采集模塊、網(wǎng)絡數(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)應用在多個設計中，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)絡控制器終端的具體應用按照實際的需求進行設計，通過兩排插座與核心板相連[4]。

圖1 無線電臺網(wǎng)絡控制器結(jié)構(gòu)圖

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)絡控制器終端內(nèi)部語音模塊的設計是基于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，在本文的設計中，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)。[!--empirenews.page--]

3.3 網(wǎng)絡芯片接口電路

        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)絡接口，所以可以方便地與ARM連接。

        在無線電臺網(wǎng)絡控制器終端，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：在收到主機發(fā)來的數(shù)據(jù)報后，偵聽網(wǎng)絡線路是否忙。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、去幀頭和地址檢驗等步驟，然后保存在片內(nèi)。在通過CRC校驗后，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，在本系統(tǒng)的設計中，我們采用的是它的I/O模式。
網(wǎng)卡芯片不能單獨工作，還必須有一個網(wǎng)絡變壓器在RJ-45接口和網(wǎng)絡芯片中間進行電平交換。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)絡連接正常并且正常收發(fā)數(shù)據(jù)報時，LED會閃爍。

4、軟件設計

        在本系統(tǒng)的軟件設計中，主要包括無線電臺網(wǎng)絡控制器終端應用程序設計及服務器軟件設計[6]。

4.1 無線電臺網(wǎng)絡控制器終端應用程序設計

        無線電臺網(wǎng)絡控制器終端應用軟件整體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。應用軟件結(jié)構(gòu)圖顯示了系統(tǒng)程序設計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)設置及讀取模塊、出廠值還原模塊、服務器中轉(zhuǎn)及管理模塊。其中前三個模塊運行于嵌入式開發(fā)板，最后一個模塊運行于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雜的模塊，劃分為兩個相對獨立的模塊：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)絡命令和語音數(shù)據(jù)流處理。工作參數(shù)的設置主要是對寫配置文件和讀配置文件的設置。

4.2 服務器軟件設計

        服務器監(jiān)控及控制模塊的程序設計中，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)生一個應答包，這個應答包中的信息反映了控制器當前的狀態(tài)。

5、系統(tǒng)運行截面圖

        系統(tǒng)的調(diào)試過程中，我們用了2個無線電臺及服務器進行測試。服務器運行界面截圖如圖3所示。我們設置2個無線電臺網(wǎng)絡控制器終端的IP地址分別是192.168.0.8和192.168.0.18。按下對講機的PPT按鍵時，指示燈由綠燈變成藍燈，表明服務器進入轉(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，則在遠程控制的框中，輸入對應的IP地址，然后選擇關(guān)閉，則可以對其進行隔離，

圖4 遠程串口成功控制kiss modem軟件截圖

        與其相對應的指示燈呈紅色。若想關(guān)閉或打開所有的控制器，則按遠程控制框中相應的按鈕即可實現(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。我們通過遠程串口對電臺下達指令，kiss modem會對指令做出響應，如圖4所示。當我們把對講機的信道切換按鈕撥到1時，對講機發(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，目前最多可以設置14個電臺6 結(jié)束語。
實踐證明，本文所設計的電臺網(wǎng)絡控制器已經(jīng)實現(xiàn)了基本的功能，調(diào)試結(jié)果證明硬件設計方案完全滿足產(chǎn)品的功能需求，軟件設計采用功能優(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、運行可靠、易于施工和維護，在遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)中有較大的推廣價值。