1、理論與算法電 子 測 量 技 術第 34卷 第 2期 基于 SOPC 的數字對講機協議的實現 *陳金榜 石江宏 張貽雄(廈門大學信息科學與技術學院 廈門 361005摘 要 :dP M R 協議是國 際上比較成熟的公眾數字對講機協議。詳細介紹了基于 sopc 的思想 , 實現 dPM R 對講機 系 統 , 即通過用 戶自定義 IP 實現 dPM R 數 據鏈路層功能及物理層控制 , 使用 M icro blaze 實現 dPM R 呼叫 控制層功能 及 鍵盤 , T FT 顯示等外設控制。關鍵詞 :數字 對講機 ; SO PC; 嵌入式系統 ; IP 核 中圖分類號 :T N 929. 5

2、文獻標 識碼 :ADesign and implement of digital interphone system based on SOPCChen Jinbang Shi Jianghong Zhang Yixiong(Sch ool of Information Science an d T echnology, Xiamen University, Xiamen 361005Abstract:DP M R is an internatio na lly mutur e digital r adio prot ocol. T his paper presents a metho d t

3、o implet ment dPM R system based on SOP C. T his system uses customized I P core to r ealize the function of data link layer and the contr ol o f phy sical layer , w ith the call co nt ro l lay er implemented by M icr oblaze. Besides, M icro blaze ex ecutes the contr ol o f keyboar d and tft display

4、.Keywords:dig ital interphone; SPO C; embedded system; I P Core *基金項目 :福建省重大專項項目資助 (2009H Z0003 10 引 言2009年底 , 工業和信息化部發布了 666號文件 , 規定 2016年模擬對講機完全退出國內市場。這一通知的發布 , 預示了數字對講機廣闊的應用前景。目前實現對講機的主 流方案有 ARM 單片集成 , 通過 ARM 實現對講機協議 , 語 音解壓縮和外設控制。但其語音解壓縮耗費 ARM 大量資 源 , 解壓縮效果不好。還有使用 DSP+MCU , 通過 DSP 實 現語音壓縮編碼及數據鏈路

5、層處理 , 用 MCU 實現呼叫控 制層協議及外設控制 , 這種方案采用的 MCU 性能不夠強 大 , 支持的外設較簡易 , 系統的拓展性較差。而本文使用 SOPC 技術實現點對點的公眾對講機協議 , 將協議的實現 分為軟件處理和硬件處理兩部分 , 發揮了軟硬件的各自優 勢 , 且易于系統后期軟硬件升級 , 同時也為公眾對講機協議 的專業集成電路設計 (A SIC 提供參考。1 數字對講機協議簡介目前國際上比較成熟的數字對講機協議標準是歐洲電信標準化協會 (ET SI 制定 的 dPMR 和 DMR 協議 標準。 DM R 主要面向公安、 警用、 消防等高端用戶 ; dPMR 主要面向工地、

6、小區保安、 娛樂、 餐飲等一般商業用戶, 用戶群相對 比較龐大 , 又稱為公眾數字對講機。 dPM R 協議可以分成 3層結構 , 采用通用的分層結構 , 自底向上分別為物理層、 數據鏈路層、 呼叫控制層。其框圖如圖 1所示。圖 1 dP M R 協議結構物理層主要支持在物理媒介上傳輸比特流所需要的全部功能 , 包括調制與解調 , 射頻特性選擇等。數據鏈路層主 要負責處理共享信道的數據 , 實現的功能包括信道編解碼 , 交織、 去交織和比特排序 , 確認及重發機制 , 信道接入控制 及管理等。呼叫控制層提供的服務有呼叫建立、 呼叫保持、第 2期呼叫中止、 單呼和群呼的發送與接收等 1。2 dP

7、M R 數字對講機系統的實現 本文基于可 編程 片上系 統 (system on a programm able chip:SOPC 架構 , 實現 dPM R 數字對講機系統。可 編程片上系統是 1種特殊的嵌入式系統 :它具有靈活的設 計方式 , 可裁減、 可擴充、 可升級 , 并具備軟硬件在系統可編 程的功能。本設計采用 Xilinx 公司的 FPGA 器件 XC3S1800a, 其 內嵌高性能處理器 M icroBlaze, 它是 1款由 Xilinx 公司開 發的嵌入式處理器軟核 , 采用 32位 RISC 優化結構 , 用以開發 基 于 Xilinx 的 FPGA 平 臺 的 可 編

8、程 片 上 系 統 2。 Xilinx 提供的嵌入式開發套件 EDK 已提供了一些常用的 嵌入式外設控制 IP, 如 DDR 、 Flash 、 GPIO 等, 我們可以根 據實際需要 , 在 M icroblaze 總線添加這些外設 IP, 或者根 據自己需要定制并添加自定義 IP, 從而實現可編程片上系 統的設計 3。我們的系統框圖如圖 2所示。 圖 2 dPM R 數字對講機系統M icroblaze 負責主控制模塊 , 它通過軟件實現呼叫控 制層功能 , 包括呼叫建立、 呼叫保持、 呼叫中止、 單呼和群 呼、 目的尋址以及實現外設鍵盤顯示等外設的控制。而數 據鏈路層處理模塊是掛載 M

9、icroblaze 總線上的 IP 模塊 , 用 來實現協議的鏈路層功能 , 包括語音包 , 數據包的接入 , 信 道控制信息的信道編解碼 , 幀和超幀的建立跟同步 , 信道接 入管理及數據包差錯重傳機制的實現等 , 及實現與射頻芯 片的通信及控制。物理層 主要是 通過 A DI 的射 頻芯片 ADF7021來 實 現 , 它 是 1款 低 功 耗、 高 集 成 度 2FSK/3FSK/4FSK 收發器。它能工作在 80650MH z 和 862940M H z 多個頻帶。它同時提供高斯濾波器和升余弦濾 波 器 選 項 以 便 為 窄 帶 應 用 提 高 頻 譜 效 率 , 并 具 有 12.

10、 5kH z 、 18. 75kH z 和 25kH z3種可編程帶寬 4。對于 DDR2及 Flash, 可直接使用 EDK 工具提供的控制器進行 控制 , 其中 DDR2使用 mpm c 控制器 , FLA SH 使用 xps _m ch_emc 控制器。而對于鍵盤及 TFT 顯示 , 本系統使用 用戶自定義 IP 進行控制。 2. 1 呼叫控制層協議的實現呼叫控制協議利用有限狀態機的設計方案進行描述和 實現。當 信道空 閑時 , 主叫方 首先 輸入單 呼號碼 , 按下PTT , 當收到對方應答信號時 , 進入單呼發話狀態。每一次 發話都有時間期限 , 如果超時 , 需重新松開 PT T

11、再按下PTT 才可以進行通話。當松開 PT T , 或是通話時間超時 , 或是對方按 下結束 請求時 , 呼 叫終止。其狀 態圖如 圖 3所示。圖 3 主叫狀態機轉 換當信道空閑時 , 主叫方輸入組號碼 , 按下 PT T , 不需要 收到應答幀 , 直接進入組呼發話狀態 , 當發話的過程中 , 當 收到緊急插入請求幀時 , 主叫方退出組呼發話狀態 , 進入組 呼被叫狀態。在組呼時, 任意用戶組叫時 , 都有時間限制 , 如果超時 , 則結束通話 , 需松開 PTT 再重新按下 PTT , 才 可以繼續進行組呼。其狀態圖如圖 4所示。圖 4 被叫狀態機轉 換當對講機發送短消息或其他數據包時 ,

12、 如果是組發數 據包時 , 就不需要應答信息 , 如果是單發數據包時 , 需要被 叫方返回應答信息。在程序的設計過程中加入了定時器。為節省頻率資 源 , 呼叫控制層加入了通話限時功能 , 在通話限時開始后 , 需要啟動定時器計時。定時器到時后產生中斷 , 執行終止 通話操作。各狀態 (除待機狀態 一旦處于等待下一步動作 的狀態時 , 需要立即啟動定時器進行超時判斷。例如 , 發起 呼叫狀態通過定時器檢測對方應答時間 , 超時則返回待機 狀態 5。在用戶界面 , 對講機的本機地址使用 7位十進制數字 表示 , 一臺對講機可以擁有一個或多個組地址。撥號時 , 末 四位的一位或者多位使用 *號 ,

13、比如 12345*7就表示被叫 方為 1234507、 1234517、 1234527, , 1234597這 10個號 碼。 7位呼叫碼在發給下層時 , 需轉換為 24bit 的空間接口第 34卷地址碼 , 如用戶撥打的號碼為 K 1K 2K 3K 4K 5K 6K 7, 其中后 4位中的 * 代表 10, 其空間接口碼十進制值 B 2=K 1 1464100+K 2 146410+K 3 14641+K 4 1331+K 5 121+K 6 11+K 7。 將 B 2轉換成二進制即為 24bit 的空間 接口地址碼。2. 2 數據鏈路層協議的實現數據鏈路層在 dPM R 系統中 , 主要

14、負責的是與呼叫控 制層交換控制信息 , 與用戶進行數據包及語音包交換 , 信道 接入管理, 確認重發 , 對信令信息進行信道編解碼及相應成幀處理等 6。數據鏈路層 IP 模塊 7 13的框架如圖 5所示。 圖 5 數據鏈路層 IP 模塊信道信令管理模塊主要是從呼叫控制層 , 用戶數據管 理模塊 , 差錯重傳模塊中獲取控制信息 , 生成相應信道信令 及頭幀、 尾幀等。比如 , 從呼叫控制層獲取主叫及被叫 ID, 信道頻率選擇信息 , 通信模式 , 數據類型等 ; 從用戶數據管 理模塊獲取數據類型 , 數據塊大小等 ; 從差錯重傳模塊獲差 錯信息及數據塊接收情況。信令編解碼主要是對信道信令的數據進

15、行信道編解 碼 , 主要有 :FEC 、 CRC 、 漢明、 正反交織及擾碼。dPM R 系統中 , 數據鏈路層主要的傳輸基本單位是幀 , 分別有頭幀、 尾幀、 負載幀、 超幀。其中超幀由 4個負載幀 組成。每個幀里都包含有相應的信道信息。數據鏈路層通 過不同幀之間的組合和關鍵位的設置 , 通知對方完成呼叫、 通話、 拆線等個過程。成幀 /解幀模塊負責傳輸幀的生成及拆解。發送時 , 成 幀模塊將編碼過信道信令與用戶數據進行組合并加上相應 的同步碼生成數據傳輸幀 , 或是將編碼過的信令與同步字 相結合 , 生成呼叫請求幀、 呼叫應答幀等。解幀的時候 , 解 幀模塊根據同步碼判斷傳輸幀的類型 ,

16、進而分拆出里面的 信令信息塊及數據信息塊。信道接入模塊管理模塊主要是進行信道監聽接入管 理。協議里規定了兩種接入準則 , 即有禮貌接入和不禮貌 接入。不禮貌表示對講機如果要發送數據時 , 不管信道是 否忙是否空閑 , 一律選擇強制插入。禮貌表示信道內如有 數據傳送 , 則等其數據發送完再發送。協議中沒有強制規定各種數據業務應該遵守哪些規則 , 讓設備制造商自己選 擇需要的準則。我們這邊選用禮貌接入。當對講機處于群 呼狀態時 , 每次語音幀的傳輸會有時間間隔限制。在這段 空閑的間隔時間內 , 被叫用戶可以發送緊急插入請求 , 當主 叫收到之后 , 需要讓出信道。用戶數據管理模塊負責與用戶數據源進

17、行數據交互 , 并將要發送的數據屬性發送給信令管理模塊 , 用于生成信 令信息。同時 , 模塊還需對特定數據類型進行編解碼并且 檢測數據接收狀態 , 并將相應差錯信息傳給差錯重傳模塊。差錯重傳模塊負責單呼時 , 數據幀的有效傳輸。當對 講機處于被叫時 , 對講機對發送過來的信令信息及數據信 息進行解碼檢錯 , 如發現有誤時 , 差錯管理模塊就通知信令 管理模塊發送 N ACK, 如正確則發送應答確認 ACK 。如果 對講機處于主叫時 , 模塊還負責對接收過來的應答幀進行 判斷 , 看是否數據發送成功。 2. 3 外設接口Microblaze 是通過掛載在總線上的 TFT 外設控制器 來對 T

18、FT 進行控制。總線上的外設控制器可以根據需要 , 選擇相應的設備主從特性。由于我們將 T FT 顯存設置在 DDR2上 , 所以我們設置 T FT 控制器為主設備類型 , 讓控 制器周期性的 從 DDR2讀取顯存 數據 14。同 時 , 我們將 TFT 控制器加入從設備特性 , 方便處理器對 T FT 控制器 的控制寄存器進行讀寫。通過控制寄存器 , 處理器可以設 置顯存的地址 , 工作狀態等。系統使用的是常見的 4 4矩陣鍵盤。 M icroblaze 通 過掛載在總線上的鍵盤控制器實現對鍵盤信息的讀取。鍵 盤控制器通過常用的行掃描法對按鍵狀態進行識別 , 當發 現按鍵狀態有變化且非抖動時

19、 , 便向處理器發送中斷信息 , 讓處理器讀取相應鍵盤信息。AMBE 接口主要負責語音壓縮 AM BE 1000芯片的控 制。 A MBE 1000芯片有兩個接口 , 一個是信道接口 , 一個 是 A D/DA 接口。信道接口有并口模式跟串口模式 , 他們 都能工作于主動模式與被動模式。信道傳送的數據格式有 幀格式和非幀格式。并口模式只工作于幀格式 , 串口模式 可以工作于兩種格式。這里使用的被動并行幀格式的通信 模式。通信模式的選擇是通過管腳 CH _SEL2:0來配置 的。信道傳送的 幀包含幀信息位 和語音數據 位 , AM BE 1000根據信息位里的 ID 值執行不同功能。功能除了語音

20、 傳送 外 , 還 有 對 AM BE 1000的 配 置 , 如 語 音 速 率 配 置等15。RF 接口主要是負責數據鏈路層與 ADF7021的通信 , 通信接口包 括控 制接口 與數 據接 口。控 制接 口是 通過 GPIO 來對 ADF7021的控制寄存器進行配置 , 主要有調節 發射和接收射頻頻點 , 發射和接收功能選擇控制 , 振蕩器參 數控制 , 調制方式的選擇 , 發送和接收時鐘設置等。而數據 接口是通過 SPI 通信模式來與 A DF7021進行數據交換 , 其 中時鐘信號由 A DF7021提供 , 控制接口的 SWD 管腳提供第 2期接收數據流的同步信息 , 通信收發模式

21、的轉變只需重新配 置 ADF7021的 0號控制寄存器。3 結 論本文介紹了基于 SOPC 的公眾數字對講機協議的實 現 , 在 Xilinx 軟核 M icroblaze 基礎上 , 根據 dPM R 對講機 對外設的要求 , 在 M icroblaze 總線上添加數字對講機系統 所需要 的外 設 IP, 如 T FT 顯 示、 按 鍵、 DDR2等。對于 dPM R 協議的數據鏈路層 , 其主要功能包含信道編解碼、 成 幀、 信道接入控制等 , 這些基本上屬于算法簡單、 但計算速 度較高的處理 , 非常適合于 FPGA 的實現 ; 而對于呼叫控 制層 , 采用 Microblaze 軟件處

22、理的方法 , 實現呼叫建立、 保 持、 終止 , 數據業務及外設控制等 , 這樣充分發揮軟硬件的 各自優勢 , 提高系統效率。參 考 文 獻1 ET SI T S. Electr omag netic co mpatibilit y and r adio spectrum matters (ER M S. Belg ium, 2010.2 張春生 . 面向 SO PC 的 IP 核設 計與 I P 復 用技術 研究 D.長沙 :國 防 科技 大學 信 息與 通信 工 程系 , 2006: 10 11.3 X ilinx Co rp. M icro blaze processor r efer

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