O 引 言
嵌入式系統(tǒng)就：是一個(gè)具有特定功能或用途的計(jì)算機(jī)軟硬件結(jié)合體，或指裝入另一個(gè)設(shè)備并且控制該設(shè)備的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是其具有目的性和針對性，即每一套嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)都有其特殊的應(yīng)用場合與特定功能。嵌人式系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分。硬件架構(gòu)以嵌入式處理器為中心，配置存儲器、I／O設(shè)備、通信模塊等；軟件部分以軟件開發(fā)平臺為核心，向上提供應(yīng)用編程接口API，向下屏蔽具體硬件特性的板級支持包BSP。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。
擴(kuò)頻通信是當(dāng)今國際上高新技術(shù)熱點(diǎn)之一，其理論基礎(chǔ)是香農(nóng)(C．E．Shannon)的信道容量公式。該公式表明，在高斯信道中，當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號噪聲功率比SNR下降時(shí)，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W的辦法來保持信道容量C不變；對于任意給定的信號噪聲功率比，可以用增大傳輸帶寬來獲得較低的信息差錯(cuò)率。擴(kuò)頻技術(shù)正是利用這一原理，用高速率擴(kuò)頻碼來達(dá)到擴(kuò)展待傳輸數(shù)字信息帶寬的目的。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)通信體制大幾百倍至幾千倍，故在相同信噪比的條件下，具有較強(qiáng)的抗噪聲干擾能力。
1 基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)的硬件設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)的基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
該數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)是雙通道的(圖中只畫出單一通道)。通道由語音編解碼電路、嵌入式微處理器、電平轉(zhuǎn)換電路、語音數(shù)據(jù)擴(kuò)頻解擴(kuò)調(diào)制解調(diào)電路、鎖存及控制信號產(chǎn)生電路、外部存儲器和射頻單元電路組成。
語音編解碼電路采用PHLIPS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的低功耗立體聲音頻編解碼芯片UDAl344TS。該芯片3．O V電源供電，可工作在L3微控制器模式，也可工作在靜態(tài)引腳工作模式，通過模式控制引腳MCl(8腳)、MC2(21腳)設(shè)置為靜態(tài)引腳工作模式(均為高電平)，在該模式下，可控制的特征有系統(tǒng)時(shí)鐘選擇、數(shù)據(jù)輸入／輸出格式設(shè)置、重低音和靜音控制以及ADC控制，這些特征是由引腳MPl(9引腳)、MP2(13引腳)、MP3(14引腳)、MP4(15引腳)、MP5(20引腳)控制的。
嵌入式微處理器選用SAMSUNG公司為手持設(shè)備設(shè)計(jì)的低功耗、高集成度基于ARlM920T核的微處理器S3C2410X。該處理器集成了16 KB指令和16 KB數(shù)據(jù)緩存、MMU、外部存儲器控制器、LCD控制器、NAND FLASH控制器、4個(gè)DMA通道、3個(gè)UART通道、1個(gè)I2C總線控制器、1個(gè)I2S總線控制器、4個(gè)PWM定時(shí)器和一個(gè)內(nèi)部定時(shí)器、通用I／O口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、8通道10位ADC和觸摸屏接口、USB主／從接口、SD／MMC卡接口等。
語音數(shù)據(jù)擴(kuò)頻解擴(kuò)調(diào)制解調(diào)電路選用Zilog公司研制的可編程單片直接序列擴(kuò)頻收發(fā)芯片Z87200。該芯片包括發(fā)送部分、接收部分和控制部分，它將擴(kuò)頻通信收發(fā)主要電路的各個(gè)部分都集成于一塊100個(gè)管腳的芯片中。發(fā)送部分包括了發(fā)送數(shù)據(jù)的白化處理、串并變換、差分編碼、PN碼產(chǎn)生、擴(kuò)頻、QPSK／BPSK調(diào)制及發(fā)定時(shí)控制，完成由數(shù)據(jù)輸入到已調(diào)中頻信號輸出的擴(kuò)頻、調(diào)制處理。接收部分包括中頻到基帶的數(shù)字下變換、PN碼產(chǎn)生、數(shù)字匹配濾波、解擴(kuò)、相關(guān)峰檢測、差分解調(diào)、并串轉(zhuǎn)換、去白化處理、數(shù)控振蕩器及位定時(shí)處理等，完成由數(shù)字中頻信號輸入到數(shù)據(jù)輸出的全過程解調(diào)解擴(kuò)處理。此外，Z87200還設(shè)置了86 B的片內(nèi)寄存器，用于對芯片功能的編程設(shè)置，使得對擴(kuò)頻系統(tǒng)的設(shè)置具有靈活性，芯片具有通用性，可與計(jì)算機(jī)或單片微處理器連接，完成對內(nèi)部寄存器的編程控制。
電平轉(zhuǎn)換電路采用MAXIM公司的雙向8通道電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3001E。由于嵌入式微處理器S3C2410X工作電壓通常是3．3 V，而直序擴(kuò)頻收發(fā)器Z87200工作電壓通常是5 V，所以可采用多個(gè)MAX3001E來連接這兩個(gè)芯片，以實(shí)現(xiàn)它們之間。的邏輯電平轉(zhuǎn)換。
鎖存及控制信號產(chǎn)生電路采用74LV373鎖存器和復(fù)雜可編程邏輯器件EPM7128SLC84-15。在通過接口控制單元向直序擴(kuò)頻收發(fā)器Z87200讀寫數(shù)據(jù)時(shí)，為了確保數(shù)據(jù)的穩(wěn)定，采用74LV373鎖存器對要讀寫的數(shù)據(jù)先進(jìn)行鎖存，然后才完成數(shù)據(jù)的讀寫。EPM7128SLC84-15是ALTERA公司生產(chǎn)的一款MAX7000S系列的CPLD器件，用VHDL編程設(shè)計(jì)一個(gè)8位同步移位寄存器和一個(gè)9位同步計(jì)數(shù)器，在．Max +PlusⅡ開發(fā)平臺上進(jìn)行編譯仿真后下載在CPLD器件EPM7128SLC84-15上。由于直序擴(kuò)頻收發(fā)器Z87200被設(shè)置為突發(fā)工作模式，為方便數(shù)據(jù)處理，可設(shè)置突發(fā)塊的長度為8符號／幀，配合使用9位計(jì)數(shù)器和8位移位寄存器，每移位9次可得到真正需要的8位語音數(shù)據(jù)。
射頻單元采用北京迅通科技公司的PTR8000(以nRF905作為數(shù)據(jù)無線傳輸芯片)高性能嵌入式無線模塊，它專為點(diǎn)對多點(diǎn)無線通信設(shè)計(jì)，內(nèi)置數(shù)據(jù)協(xié)議和CRC檢錯(cuò)，可工作在430／868／915 MHz，工作電壓在1．9～3．6 V之間，最大發(fā)射功率+10 dBM，高抗干擾GFSK調(diào)制，可跳頻，數(shù)據(jù)速率50 Kb／s，獨(dú)特的載波監(jiān)測輸出，地址匹配輸出，地址就緒輸出。由于與RF協(xié)議相關(guān)的高速信號處理部分已經(jīng)嵌入在模塊內(nèi)部，PTR8000可與各種單片機(jī)配合使用，也可以與DSP等高速處理器配合使用；PTR8000提供一個(gè)SPI接口，速率由微控制器自己設(shè)定的接口速度決定，在RX(接收)模式中，地址匹配(AM)和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)信號通知MCU一個(gè)有效的地址和數(shù)據(jù)包已經(jīng)各自完成，微控制器即可通過SPI讀取接收的數(shù)據(jù)。在TX(發(fā)送)模式中，PTRR8000自動產(chǎn)生前導(dǎo)碼和CRC校驗(yàn)碼，數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒(DR)信號通知MCu數(shù)據(jù)傳輸完成。
外部存儲器由一塊8 MB的SDRAM(采用HY57V641620)和一塊2 MB的FLASH(采用HY29LVl60)構(gòu)成，主要用于存放程序和數(shù)據(jù)。
2 軟件設(shè)計(jì)
嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)采用武漢創(chuàng)維特信息技術(shù)有限公司的ADT IDE集成開發(fā)環(huán)境，它提供高效、清晰、可視化的嵌入式軟件開發(fā)平臺，包括一整套完備的面向嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試工具：編輯器、編譯器、鏈接器、工程管理器以及調(diào)試器等，它運(yùn)行于WindowsNT／95／98／2000／XP，采用類似Visual Studio界面風(fēng)格，支持中、英文版本。
在用戶的應(yīng)用程序之前，需要由專門的一段代碼完成對系統(tǒng)的初始化，即系統(tǒng)啟動加載程序。當(dāng)ARM微處理器上電或者復(fù)位之后，處理器從0x0取值，在這個(gè)地址處安排的程序就是系統(tǒng)啟動加載程序。由于這類代碼直接面對處理器內(nèi)核和硬件控制器進(jìn)行編程，故采用匯編語言，其任務(wù)包括建立異常向量表、重構(gòu)異常向量表、初始化存儲器系統(tǒng)、初始化堆棧、初始化應(yīng)用程序執(zhí)行環(huán)境、屏蔽所有中斷和呼叫主應(yīng)用程序。
收發(fā)機(jī)系統(tǒng)的主程序主要完成芯片的初始化、接口的配置、語音數(shù)據(jù)流控制和中斷處理等工作，使得收發(fā)機(jī)系統(tǒng)在嵌入式微處理器的控制下能有效地完成語音的錄人、發(fā)送、接收和播放全過程，基于嵌入式系統(tǒng)的數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)程序流程圖如圖2所示。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
用匯編語言編寫系統(tǒng)啟動加載程序，用c語言編寫嵌入式微處理器的數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)程序，在ADTIDE集成開發(fā)環(huán)境下添加源代碼，保存后加入到工程中進(jìn)行設(shè)置和編譯，通過后經(jīng)過JTAG簡易調(diào)試器，將應(yīng)用程序燒錄到FLASH中，下載到SDRAM中。將語音編解碼電路、嵌入式微處理器S3C2410X、電平轉(zhuǎn)換電路、語音數(shù)據(jù)擴(kuò)頻解擴(kuò)調(diào)制解調(diào)電路、鎖存及控制信號產(chǎn)生電路、外部存儲器和射頻單元電路正確焊接在PCB板上，上電，運(yùn)行程序。
在發(fā)送端，話音通過麥克風(fēng)送人語音編解碼芯片UDAl344TS，經(jīng)過語音編碼處理后，產(chǎn)生I2-bus格式的串行語音數(shù)據(jù)通過標(biāo)準(zhǔn)I2S語音接口傳送到嵌入式微處理器S3C2410X。S3C2410X將得到的8位語音數(shù)據(jù)存儲到預(yù)先分配好的數(shù)據(jù)區(qū)，接著將該數(shù)據(jù)通過同步串行接口SIO一位一位地發(fā)送到語音數(shù)據(jù)擴(kuò)頻解擴(kuò)調(diào)制解調(diào)芯片Z87200片內(nèi)進(jìn)行擴(kuò)頻、BPSK調(diào)制等一系列處理后，得到8位數(shù)字中頻語音信號；最后，通過射頻單元PTR8000無線發(fā)送出去。
在接收端，通過射頻單元PTR8000無線接收到8位數(shù)字中頻語音信號，送入z87200片內(nèi)進(jìn)行解擴(kuò)、解調(diào)等一系列處理，得到串行語音數(shù)據(jù)信號；該信號被送入CPLD器件EPM7128SLC84-15的8位同步移位寄存器；CPLD每得到一個(gè)8位語音數(shù)據(jù)就將該數(shù)據(jù)鎖存并產(chǎn)生一個(gè)外部中斷，通知嵌入式微處理器S3C2410X將這8位語音數(shù)據(jù)讀走；最后在S3C2410X的控制下將語音數(shù)據(jù)通過I2S接口傳送給語音編解碼芯片UDAl344TS，解碼處理后通過揚(yáng)聲器播放出來。
發(fā)送通道實(shí)現(xiàn)了話音錄人、擴(kuò)頻和BPSK調(diào)制、無線發(fā)送；接收通道實(shí)現(xiàn)了無線接收、BPSK解調(diào)、解擴(kuò)和播放。兩通道可同時(shí)進(jìn)行；在無線傳輸時(shí)，采用PTR8000高性能嵌人式無線模塊，最大傳輸速率可達(dá)20 Kb／s，最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)1 km左右。
4 結(jié) 語
闡述了嵌入式系統(tǒng)和擴(kuò)頻通信的含義,以嵌入式微處理器S3C2410X為核心，利用Z87200，UDAl344TS，PTR8000等模塊設(shè)計(jì)出了數(shù)字?jǐn)U頻收發(fā)信機(jī)。該文創(chuàng)新點(diǎn)是將嵌入式技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)融合在一起，同時(shí)采用ADT IDE集成開發(fā)環(huán)境調(diào)試嵌入式系統(tǒng)軟件，用嵌入式微處理器對系統(tǒng)其他芯片進(jìn)行編程控制，因而具有很好的靈活性和通用性；根據(jù)所提出的設(shè)計(jì)思路，可方便地設(shè)計(jì)其他無線通信系統(tǒng)，有廣闊的應(yīng)用前景和很好的經(jīng)濟(jì)效益。