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基于Si4463的无线语音系统设计

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    基于Si4463的无线语音系统设计

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    《工业控制计算机》2014 年第 27 卷第 11 期 105 基于 Si4463 的无线语音系统设计 Design of Wireless Voice System Based on Si4463 袁 舰 高守玮 王孝欣 崔徐佳 余盈宽 (上海大学机电工程与自动化学院,上海 200072) 摘要 目前国内短距离无线数字语音产品大多采用硬件对语音数据编解码,成本较高。 Speex 作为一种基于码激励线性预测 (CELP)算法,因其开源、免软件专利费、多采样率、多位率、高质量的特点而被广泛应用于各 种 嵌 入 式 设 备 的 语 音 编 解 码 。 本文采用最新的 Contex-M3 ARM 微处理器芯片和射频芯片 Si4463 设计了一个低功耗、短距离、时分双工的无线语音系 统。 综合阐述了系统的整体设计、射频芯片的选型、Speex 算法在 STM32F205RB 芯片上的运用。 经过反复测试验证,该系 统在空旷的环境下,200m 以内通信可靠,较好地实现了两点间语音通信的功能。 关 键 词 :Si4463 ,无 线 语 音 ,Speex,Contex-M3 Abstract Currently,short distance wireless digital voice products use hardware to encoding and decoding the voice data cost much.Speex codec based on CELP is widely used in many kinds of embedded devices because the feature of open - source,free from software patent royalties,variable sampling rate,multiple bit-rate and high quality.Using the latest Contex- M3 ARM microcontroller and RF chip Si4463,this paper designs a low-power,short distance,TDD wireless voice system.This paper designs the overall system design,the selection of the RF chips,the Speex codec applied in STM32F205RB.After repeatedly testing,in the open environment the system can work reliable within 200 meters. Keywords:Si4463,wireless voice,Speex,Contex-M3 移动电话虽然方便易用, 但是存在硬件成本高且按时收费 的缺点, 并不适合长时间的无线语音通信。 因此设计一种低功 耗 、低 成 本 、可 靠 的 无 线 语 音 通 信 系 统 变 得 尤 为 重 要 [1]。 1 系统整体设计 本系统主要由语音采集模块、微处理器模块、射频模块、语 音输出模块构成。 其中语音采集模块、射频模块及语音输出模块 通过微处理器模块的流程控制完成整个系统的协作。 同时,按键 及液晶显示屏提供了整个系统的人机交互接口。 无线传输系统终端结构框图如图 1 所示。 图 1 无线传输系统终端结构框图 2 射频芯片选型 Si4463 是一款高性能低功耗射频收发器。 它的覆盖频率从 142 到 1050MHz; 灵 敏 度 达 到 了-126dBm; 输 出 功 率 达 到 了 20dBm;数据 传 输 速 率 覆 盖 0.123kbps 至 1Mbps;支 持 多 种 调 制 方 式 。 重 要 的 是 ,Si4463 具 有 12.5kHz 信 道 间 隔 的 60dB 的 邻道选择性,确保了即使在恶劣的 RF 环境下也能可靠通信。 极 低的待机电流和快速唤醒时间确保了在严苛的应用程序中,系 统具有更长的电池寿命。 基于上述考虑, 本系统采用 Silicon Labs 公司推出的一款 最新的集成度高、体积小、适用于 ISM(工业、科学、医疗)频段的 射频芯片— ——Si4463 。 芯片集成了低噪声放大器(Low-noise Amplifier LNA)、I-Q 混 频 器 、数 模 转 换 器 (ADC)、可 编 程 放 大 器(Programmable Gain Amplifier)等。 芯片的高集成度使得外 围电路的设计变得 极 其 简 单 。 Si4463 的外围电路设计如 图 2 所示。 3 硬件设计 本文设计了一 种低功耗,短距离, 时 分 双 工 (TDD) 无 线语音通讯解决方 案 [2]。 3.1 微 处 理 器 模 块 设计 微处理器模块 主要负责对放大后 的电信号 AD 转换, 编码, 以及对传来 的数据进行解码, DA 转 换 ;与 射 频 模 图 2 Si4463 外围电路 块的通讯;整个系统的流程控制。 为节约语音编解码器的硬件成本, 本设计采用软件的方式 实现对语音数据的编解码, 故而需要一款能满足性能要求同时 功耗低的微处理器。 Cortex-M3 是一个 32 位处理器内核[3]。 它 采用了哈佛结构,拥有独立的指令总线和数据总线,可以让取指 与数据访问并行不悖。 这样数据访问不再占用指令总线,从而提 升了性能。 基于上述考虑, 本系统采用意法半导体公司的基于最新 Contex-M3 内核的 ARM 芯片 STM32F205RB 作为无线语音系 统的微处理器,其时钟可达到 120MHz,可以高速零等待地执行 代码,从而最大化地发挥 Cortex-M3 内核的性能优势。 同时它 106 集成了丰富的外设资源和多种功能模块,包括多个 16 位 / 32 位 定 时 器 ,多 达 128KB 的 SRAM、ADC 模 块 、 双 通 道 DAC、 多 个 USART、SPI 接口等。 这大大简化了外围硬件模块的设计、安装 和维护,节约了成本。 3.2 语音采集模块设计 由 于 麦 克 风 传 来 的 信 号 非 常 微 弱 ,STM32F205RB 无 法 对 其有效采样,因此需要运算放大器芯片对其信号放大。 本模块采用美国德州仪器公司生产的运算放大器 LMV358, 具有高增益,宽电压的特点且性能价格比高。 经过 LMV358 放大 后的信号传输至 STM32F205RB 内部的一路 12 位 ADC, 来完 成 语 音 信 号 的 采 样 。 STM32F205 内 部 ADC 在 系 统 时 钟 为 120MHz 时,采样率可以达到 2M / s。 图 3 语音采集模块电路 图 3 为语音采集模块硬件电路设计。 主麦克风 MIC2 和 背 景噪声麦克风 MIC1 分别经过经过 3.3V 上 拉 后 ,经 过 电 容 隔 离 直流,将信号经过 LMV358 的信号差分放大后,去除背景噪声信 号,得到更纯净的语音信号。 其中 R29 和 R31 形成分压电路用 于抬升基准电压,避免放大后的波形失真。 3.3 语音输出模块设计 语 音 输 出 模 块 的 作 用 是 将 微 处 理 器 STM32F205RB 中 DA 输出的信号,经过 TDA1308 功率放大,驱动耳机正常工作。 其中 TDA1308 是 AB 类数字音频专用耳机功放 IC, 具有低电 压 、低 失真、高速率、强输出等优异性能。 图 4 语音输出模块电路 图 4 为语音输出模块 硬 件 电 路 设 计 。 STM32F205RB 经 过 DA 输出的信号无法直接驱动耳机工作,因此需要加入功率放大 处理。 DA 输出的信号经过电容隔离了直流,而 R26、R27、R34、 R35 的阻值均相等, 故没有信号的放大, 只是功率放大。 其中 R32、R33 形 成 分 压 电 路 ,用 于 抬 升 基 准 电 压 ,避 免 放 大 后 输 出 基于 Si4463 的无线语音系统设计 的波形失真。 4 软件设计 4.1 Speex 语音编解码算法 Speex 是 近 年 来 开 发 出 的 一 种 基 于 码 激 励 线 性 预 测 (CELP)[4]的开源软件。 由于其具有多采样率、多位率、高质量的 特 点 [5],因 此 非 常 适 合 在 无 线 语 音 领 域 方 面 的 应 用 。 本 设 计 将 Speex 语 音 编 解 码 软 件 移 植 到 STM32F205RB 微处理器中运行,使之具有语音编解码的功能。 以下主要介绍编 码过程: 在 编 码 过 程 中 ,首 先 调 用 函 数 speex_bits_init(&bits) 初 始 化 Speex 内部 定 义 的 结 构 , 用 于 保 存 数 据 , 接 着 调 用 speex_ encoder_init(&speex_nb_mode),把 编 码 状 态 初 始 化 为 窄 带 模 式。 窄带模式的采样率在 8kHz,压缩率达到了 16:1。 低采样率和高 压缩率大大减轻了无线通讯方面的压力, 但语音质量并没有因此明 显下降。 Speex_encoder_ctl(enc_state,SPEEX_SET_QUALITY, &quality)用 于 设 置 编 码 质 量 ,因 为 Speex 是 在 固 定 的 比 特 率 上 实 现 的 , 所 以 质 量 参 数 必 须 保 持 不 变 。 speex_encoder_ctl (enc_state,SPEEX_SET_COMPLEXITY,&complexity) 用 于 设 置 编 码 复 杂 度 ,过 高 的 编 码 复 杂 度 会 额 外 增 加 CPU 负 载 ,为 取 得 最好的效果这里复杂度的值设置为 2。 在设置完毕基本参数后,对原始的语音数据进行编码,调用 speex_bits_reset(&bits)清 空 结 构 体 bit 里 面 的 所 有 数 据 ,以 便 开 始 编 码 一 帧 新 帧 , 接 着 调 用 speex_encode_int(enc_state, (spx_int16_t觹)IN_Buffer[0],&bit) 对 IN_Buffer 数 组 里 的 数 据 进 行 编 码 , 调 用 speex_bits_write (&bits, (char 觹)output_data, ENCODED_FRAME_SIZE)把 已 经 编 码 完 成 的 帧 拷 贝 出 来 , 这 样 一帧的编码工作就完成了。 在所有帧的编码工作完成后需调用 以 下 函 数 对 资 源 释 放 :speex_encoder_destroy (enc_state); speex_bits_destroy(&bitsEncode)。 4.2 系统软件流程 系统的软件设计 主要包括微处理器 STM32F205RB 的初始 化 、 射 频 芯 片 Si4463 的初始化、 音频数据的 编解码、 微处理器 STM32F205RB 与射频 芯 片 Si4463 之 间 的 数 据传输,以及控制射频 芯 片 Si4463 实 现 时 分 双工(TDD)通信。 系统 软件总体流程图如图 5 所示。 5 结束语 图 5 系统软件流程图 本文以微处理器 STM32F205RB,Si4463 射频芯片为核心, 配 合 Speex 语 音 编 解 码 算 法 设 计了一款针对短距离、 时分双 工、低功耗无线语音系统。 图 6 为系统总体实物图,经反复测试 验证, 在空旷条件下, 通信在 200m 以 内 , 语 音 效 果 清 晰 ,无 明显延迟现象较好地实现了两 点间的语音通话。 (下转第 108 页) 图 6 系统总体实物图 108 基于 PROFIBUS-DP 的 S7-300 与 SUPCON DCS 的通讯 2.3 配置 SP239-DP 主站接口卡 首先, 我们要 S7-300 PLC 的 GSD 文件, 因为我们用的是 CPU315-2DP, 所以它的 GSD 文件可以通过 Step7 的硬件组态 (HardConfig)来 获 取 。 我 们 选 “sie 3802f.gse”GSE file(觹.gse) English,就可以了。 把它拷贝到 DCS 组态软件的 GSD 文件夹下, 重启组态软件,再添加 GSD 文件就可以找到新加入的 GSD 文件。 2.3.1 从站配置 打开组态软件 SyCon, 在我们添加完从站后, 设置地址为 3。 在进行从站配置,选择“Settings→Slave Configuration”打开 组态画面,逐个添加模块,依次选择“first ID in general”、“second ID in general”、“third ID in general”, 然 后 选 择 “Master_O Slave_I 2 by unit”(2Byte)和“Master_I Slave_O 2 by unit”(2 Byte)等配置,如图 2 从站设置。 代码为 PROFIBUS-DP 主站接口卡)。 主站地址为 1,主站添加 描述为 Master1。 主站 的 通 讯 波 特 率 为 1.5Mbit / s,与 从 站 保 持 一 致 。 打 开 主 站 配 置 对 话 框 ,选 中 Auto addressing,点 击 DP Master Setting 进入主站设置,如图 3 DP 主站设置。 通过以上工作我们完成了软硬件的选型和组态工作, 接下 来我们要进行的是系统的调试工作。 3 系统调试 现在我们要进行系统的调试工作。 首先我们连接好操作站 的串行口和 SP239-DP 的调试口,给 SP239-DP 上电。 点击主 站图标,选择“Settings→Device Assignment”,选择 CIF Serial Devicer, 并选择所使用的串行 口 ; 再 次 点 击 主 站 , 进 入 “Online→Start Debug Mode”,开 启 调 试 模 式 ,就 可 以 观 察 主 站 与 从站的运行情况,如图 4 调试画面所示: 图 2 从站设置 在 此 需 要 注 意 的 是 ,在 S7-300 作 为 PROFIBUS-DP 从 站 时 ,前面三个槽位 必 须 为 “first ID in general”、“second ID in general”、 “third ID in general”。 后 面 两 个 槽 位 的 配 置 和 在 Step7 中的一致。 2.3.2 主站配置 在组态软件 SyCon 中,添加主站选 择 “COM-C-DPM”(此 图 4 调试画面 通过画面的内容可知,主站与从站的通讯正常。 4 结束语 本文通过 PROFIBUS-DP 通讯协议,利用 SP239-DP 主站 接 口 卡 , 把 从 站 控 制 器 S7-300 PLC 和 主 站 控 制 系 统 SUPCON DCS JX-300X 连接在同一个控制系统中,解决了二者间 的稳定通讯问题, 软件资源不能共享和系统的控制数据无法实 现整体管理的问题。 同时,该技术方案获得了企业相关领导的肯 定并希望继续完善后续的工作。 在本次改造方案中操作人员可 以在 DCS 上可以监控 PLC 的生产数据, 为整个生产环节节 约 了大量资源,充分表现出了现场总线在实际生产中的优越性。 参考文献 [1]王 欢.基 于 PROFIBUS 现 场 总 线 的 PLC 控 制 系 统 研 究 与 设 计 [D]. 北 京 :北 方 工 业 大 学 ,2007 :39-40 [2]浙大中控.JX-300X DCS 系统手册[K] [3]曾 荣 ,冯 继 勇.基 于 PROFIBUS-DP 的 DCS 与 PLC 通 信 的 排 污 控 制 系 统 [J].化 工 自 动 化 及 仪 表 ,2009 ,36(6):82-83 [4]中控.PROFIBUS-DP 主站接口卡用户使用手册[K] [5]李方圆.PLC 工程应用案例[M].北京:中国电力出版社,2013:168 图 3 主站设置 [收 稿 日 期 :2014.9.6 ] →→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→→ (上接第 106 页) [3]Yiu J.The definitive guide to the ARM Cortex -M3 [M]. 参考文献 [1]陈海燕,汪 影.基 于 M-Power500 的 无 线 语 音 传 输 系 统 设 计 与 实 现 [J].电 子 设 计 工 程 ,2011 ,19 (3 ):150-152 [2]沈冰.TDD 模式的数字对讲无线语音传输系统设计与实现[D].成都: 西 南 交 通 大 学 ,2008 Newnes, 2009 [4]谢晓钢,蔡骏,陈奇川,等.基于 Speex 语音引擎的 VoIP 系统设计与 实 现 [J].计 算 机 应 用 研 究 ,2008 ,24 (12 ):320-323 [5]穆 捷 ,李 敬 ,唐 昆.Speex 语 音 编 码 算 法 实 现 与 优 化 [J].通 信 技 术 , 2009(10):186-188 [收 稿 日 期 :2014.9.9 ]

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