基于嵌入式的数字对讲机设计与实现

魏洪涛，杜彩侠，吴细秀

(1.武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉430070;2.武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉430070)

随着电子技术的不断发展，数字对讲机逐渐取代模拟对讲机［1］。无论是性能上还是外观上，数字对讲机都具有明显的优势。数字对讲机是将语音信号转化为数字信号，再通过数字编码的方式进行传播，频谱利用率和通话质量较高，且保密性良好。另外，对讲机不受网络的限制，完全可以实现真正的应急通信。

为了将对讲机通信系统集成到家用保险舱中，为用户提供统一的人机操作界面，采用HKT－80 核心模块，结合三星S3C6410 核心处理器和Qt 集成开发环境，设计并实现了一款数字对讲机应急通信系统。

1 硬件设计

1.1 硬件总体架构

所设计的对讲机系统，主要针对保险舱的需求。为了保障在突发情况下与外界及时有效沟通，应考虑系统通信的时效性、稳定性。无论是在硬件还是在软件设计上，都要基于以上两点考虑。

硬件部分由HKT－80 收发模块、音频处理模块、电平转换模块、外部控制器模块组成。HKT－80 是一款高性能的模块，内置有高性能的射频收发芯片、微控制器以及射频功放［2－3］。该模块可以采用外部控制器，通过标准的异步串行口设置模块的参数，模块体积小、集成度高、适合集成到智能产品中。音频处理部分采用TDA2822 芯片，该芯片可以在电源电压低至1.8 V时仍能正常工作，且交越失真小，静态电流低，外围器件少。电平转换电路采用MAX232 芯片，该芯片的收发器将RS232 电平转化为5 V 的CMOS/TTL 电平，发送器则把CMOS/TTL 电平转换为RS232 电平。外部控制器模块采用三星公司S3C6410 核心处理器，它是一款低功耗、高性能、高性价比的ARM11 微处理器。系统硬件设计总体架构如图1 所示。

图1 系统硬件设计总体架构

1.2 关键模块设计与实现

1.2.1 音频处理模块

该部分采用的核心芯片为TDA2822 双通道音频功率放大器芯片。音频处理模块实现对讲机收发模块输出音频信号的放大，加入一些外围电路，可有效保障输出音频的效果。该功放为直接耦合，因此输入信号不能带直流成分。如果输入信号有直流成分则必须在输入端串接一只电容隔开，否则将有较大的直流电流流过扬声器，损坏扬声器。具体电路图如图2 所示。

图2 音频处理模块电路图

1.2.2 电平转换模块

在串口通信接口标准中，RS232 是用正负电压来表示逻辑状态，与TTL 以高低电平表示逻辑状态的规定不同。采用三星公司的S3C6410 作为外部控制器，其异步串行口采用标准接口RS232。因此，为了实现外部控制器与HKT－80模块之间的通信，必须在RS232 与TTL 电路之间进行电平和逻辑关系的变换。采用MAX232 芯片可完成TTL 到RS232 双向电平转换，从而保证对讲机模块和上下位机的正常通信。电平转换模块电路图如图3 所示。

图3 电平转换模块电路图

1.2.3 HKT－80 其他外围电路

这部分包括电源的通断控制、核心模块的有关管脚使用。对于电源的通断控制，将HKT－80核心模块的BAT 脚接一个继电器，继电器的另一端接上位机I/O 口，通过软件实现控制电源PD管脚接高电平，否则模块处于睡眠状态，无法正常工作。另外，为了保障通信的距离，应使模块处于高功率发射/接收状态，因此，H/L 管脚接高电平。HKT－80 其他外围电路如图4 所示。

图4 HKT－80 其他外围电路

2 软件设计

2.1 通信协议

基于HKT－80 核心模块，对讲机与上位机采用标准的异步串口RS232，通过AT(Attention)指令实现通信。AT 指令通常应用在终端设备与PC应用之间的通信［4－6］。作为一种接口标准，AT 指令的格式与返回值都有明确的规定。核心模块串口的设置为:8 位数据位、1 位停止位、无奇偶校验、硬件流控制、波特率为9 600 b/s。

AT 指令格式:AT 指令均以“AT”作为开头，以＜CR ＞回车作为结尾。AT 指令返回格式:＜CR ＞＜LF ＞ ＜与AT 指令相关的字符串＞＜CR ＞＜LF ＞。对于HKT－80 与上位机通信，终端向模块通信采用的形式为:AT +DMOXXX，模块向终端通信采用的形式为:+DMOXXX

2.2 软件实现

硬件部分实现了系统在默认设置下的通信，若要实现对核心模块的人性化操作，则需要借助软件来实现。通过软件设计，可以实现模块在400 ～470 MHz 范围内设置38 个标准亚音码，音量调节以及借助下位机实现扫描功能等。流程图如图5 所示。

在系统功能划分上，采用上位机主要负责界面部分，下位机主要负责控制部分的设计策略。对讲机的开关控制、一键通话、扫描等功能由下位机来控制实现，通过普通的I/O 口实现通信。而其他部分的功能，通过串口AT 指令实现。

软件部分实现了对讲机的一键通话、频率设置、亚音设置、扫描等功能，具体如下:

(1)可通过上位机向下位机发送预设指令，实现对讲机的通断;

(2)可通过上位机直接向模块发送相应的AT 指令，实现频率、亚音、音量调节;

(3)若扫描到某信号时，对讲机模块的SQ 引脚会由高电平变为低电平，上位机向下位机发送指令，读取与SQ 脚相连的I/O 口的电平高低，由SQ 脚的电平高低来判断是否扫描到信号。

图5 系统软件实现流程图

2.3 硬件快捷按钮

基于用户需求和危急情况下人的心理考虑，利用ARM11 开发板上预设的按钮实现了“一键呼救”、“一键通话”功能。首先，打开开发板上的设备按钮，通过软件实时监测按钮的操作，若触发相应的按钮，则快速开启相应的操作，其流程图如图6 所示。

图6 硬件按钮快捷操作实现流程图

2.4 界面设计

软件界面［7－8］是使用者与系统之间进行交互使用的内容、方式、途径、布局及结构的总称。在进行界面设计时，不仅要考虑软件实现的流畅性、稳定性，还要考虑到视觉效果以及良好的用户体验，尽量做到界面简洁美观，各功能模块功能清晰，操作响应快速。

Qt 是一个跨平台的C + + 图形用户界面应用程序框架［9－11］。Qt Creator 则是一个用于Qt 开发的轻量级跨平台集成开发环境。利用Qt Creator，设计并实现了如图7 所示的对讲机操作界面。

图7 界面实现效果图

从视觉上，整个对讲机的功能一目了然，只需点击相关按钮便可轻松实现对应功能。

3 结论

采用HKT－80 模块并结合其他外围电路，实现了对讲机硬件部分的设计。通过实际环境下的测试表明，对讲机可以实现室外1 ～3 km 远距离通信，且有较高质量的音频效果。在完成硬件设计的基础上，通过软件设计实现了对对讲机频率、亚音、音量以及扫描功能的实现。利用Qt 实现了软件界面设计和对讲机功能的便捷化，可交互式操作，同时借助硬件按钮，实现了一键通话、一键呼救快速操作。对讲机系统是应用在应急灾害保险舱中，针对特殊的用户群体，对功能、性能均有较高的要求。从总体实现结果上看，达到了项目的预期效果，实现了快速、有效、稳定的应急通信。

［1］ 陈少华，杨景淇，刘晶美，等. 基于A1840 新型数字对讲机的设计［J］.电子元器件资讯，2009(6):24－26.

［2］ 张雪丽.应急通信新技术与系统应用［M］.北京:机械工业出版社，2010:34－98.

［3］ 佚名.HKT－80 无线收发模块Ver1.1［R］. 深圳:深圳尚瑞思电子有限公司，2011.

［4］ 雷鸿，汪海. 基于嵌入式处理器的研究［J］.软件导刊，2011，10(8):10－11.

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［6］ 佚名.HKT－80 模块AT 通信协议Ver1.1［R］. 深圳:深圳尚瑞思电子有限公司，2011.

［7］ 友善之臂. Tiny6410 Linux 开发指南［R］. 广州:广州友善之臂公司，2011.

［8］ 孙悦红，孙继红.面向用户的软件界面设计［M］.北京:清华大学出版社，2009:26－30.

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［10］DAVE B. An intercom system［J］. Television Broadcast，2006，29(2):1－3.

［11］JASMIN B，MARK S. C+ + GUI Qt4 编程［M］.闫锋欣，曾泉人，张志强，译. 北京:电子工业出版社，2008:65－132.