基于AMBE-2000和單片機(jī)的潛水員水下通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

汪丹丹 賈臨生 楊大光

(海軍航空兵學(xué)院 葫蘆島 125001)

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基于AMBE-2000和單片機(jī)的潛水員水下通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

汪丹丹 賈臨生 楊大光

(海軍航空兵學(xué)院 葫蘆島 125001)

設(shè)計(jì)了一種基于AMBE-2000和單片機(jī)的潛水員水下語(yǔ)音數(shù)字通信系統(tǒng),給出了它的硬件原理圖和軟件程序框圖。硬件部分采用ATMEL公司的AT89S52作為主控芯片,實(shí)現(xiàn)對(duì)AMBE-2000和AD73311的控制。系統(tǒng)利用水下電流場(chǎng),完成了潛水員間的水下近距離通信。

AMBE-2000; AD73311; 單片機(jī); 語(yǔ)音數(shù)字通信; 電流場(chǎng)

Class Number TP274

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以后,對(duì)海洋資源的研究和開(kāi)發(fā)已經(jīng)越來(lái)越引起人們的關(guān)注,水下通信系統(tǒng)也就越來(lái)越顯出其重要性,尤其是水下無(wú)線通信系統(tǒng)的研究已經(jīng)引起世界各國(guó)的廣泛重視。眾所周知,海水是導(dǎo)電媒質(zhì),對(duì)電磁波具有極強(qiáng)的衰減,這也是電磁波很難用于水下無(wú)線通信的原因。但是,我們卻可以充分利用海水的導(dǎo)電性,使用電流場(chǎng)的方式達(dá)成通信,并且水下電流場(chǎng)通信系統(tǒng)是低噪聲系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)近距離的水下無(wú)線通信是完全可行的。根據(jù)有關(guān)資料顯示,現(xiàn)在實(shí)用的潛水員水下無(wú)線通信系統(tǒng)主要是水聲通信,但由于海洋環(huán)境極其復(fù)雜,而且在淺海海域海水介質(zhì)分層明顯,當(dāng)兩潛水員位于不同的聲速層時(shí)往往難以實(shí)現(xiàn)超聲波通信,或者干擾很大,通信質(zhì)量很差,因此本文考慮采用水下電流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)水下的近距離無(wú)線通信。

海水中電流場(chǎng)的頻率特性在音頻段是接近平坦的,因此在設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的時(shí)候,信號(hào)的載波頻率最好采用甚低頻,從而通信帶寬變得比較窄,而要保證水下通話的語(yǔ)音質(zhì)量,就要在對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行A/D變換時(shí)盡量的提高采樣的數(shù)據(jù)量,如此一來(lái),較高的語(yǔ)音采樣和有限的帶寬就成一對(duì)矛盾。為了解決以上問(wèn)題,本系統(tǒng)考慮使用聲碼器芯片對(duì)采樣后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的壓縮編碼,減小信息的冗余度。

聲碼器芯片選用美國(guó)DVSI公司生產(chǎn)的AMBE-2000,該芯片具有適應(yīng)性強(qiáng)、高性能、低功耗的優(yōu)勢(shì)。它可以在2.0kbps～9.6kbps的范圍內(nèi)對(duì)語(yǔ)音信號(hào)實(shí)現(xiàn)壓縮編碼,且編碼質(zhì)量較高,能夠滿足本設(shè)計(jì)的要求。

2 潛水員水下通信系統(tǒng)的原理

整個(gè)電路的原理圖如圖1所示,通過(guò)AD73311將輸入的模擬話音進(jìn)行采樣量化,然后輸入到AMBE-2000進(jìn)行壓縮編碼,編碼后的數(shù)據(jù)送給單片機(jī)進(jìn)行處理,然后調(diào)制成模擬信號(hào)經(jīng)電極對(duì)天線發(fā)送出去;同時(shí),電極對(duì)天線將接收到的信號(hào)經(jīng)檢波整形后送給單片機(jī),經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理以后再送給AMBE-2000進(jìn)行解碼,再通過(guò)AD73311轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)輸出。

圖1 系統(tǒng)的硬件原理框圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 AMBE-2000的接口設(shè)計(jì)

AMBE-2000可以被視為兩個(gè)獨(dú)立的部分即編碼器和解碼器。編碼器接收8kHz話音數(shù)據(jù)流(16位線性、8位A率、8位μ率)并以所希望的碼率輸出數(shù)據(jù)流到傳輸信道上,相反,解碼器接收從傳輸信道上傳送的數(shù)據(jù)流合成出8kHz話音數(shù)據(jù)流。其編碼器與解碼器的接口時(shí)序是完全異步的。AMBE-2000有兩種工作模式,即主動(dòng)工作模式和被動(dòng)工作模式。本設(shè)計(jì)選擇在主動(dòng)工作模式下,數(shù)據(jù)選通信號(hào)由聲碼器自己提供,也就是說(shuō),數(shù)據(jù)讀寫(xiě)進(jìn)程完全由聲碼器自身控制。

典型的語(yǔ)音接口是外圍的A/D和D/A,該接口芯片對(duì)模擬話音進(jìn)行采樣,然后輸入到AMBE-2000的ENCODER中編碼。信道接口則用來(lái)對(duì)信道數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,監(jiān)測(cè)和功能設(shè)定,通常選用8位或16位的微處理器電路。信道數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)DECODER合成語(yǔ)音數(shù)據(jù),再經(jīng)D/A變換輸出到聽(tīng)筒。輸入與輸出語(yǔ)音數(shù)據(jù)是可以結(jié)合的,也就是說(shuō)兩者必須具有相同的形式(16位線性,8位A律或8位μ律);芯片的可選功能,如回聲消除、聲音激活/探測(cè)、功率模式控制、數(shù)據(jù)/FEC速率選擇等可以通過(guò)硬件控制引腳或解碼器命令接口進(jìn)行控制。

3.2 AMBE-2000和AD73311的接口設(shè)計(jì)

AD73311用起來(lái)非常靈活,內(nèi)部共有五個(gè)控制寄器組[3](CRA、CRB、CRC、CRD、CRE),CRA用以設(shè)置AD73311的工作模式(五種),芯片級(jí)連個(gè)數(shù)(1～8個(gè))和軟件重置RESET;CRB用以設(shè)置主時(shí)鐘分頻因子和串行時(shí)鐘分頻因子;CRC用以設(shè)置內(nèi)部參考電壓的電源管理;CRD用以設(shè)置輸入輸出可編程放大器的增益;CRE用以設(shè)置D/A轉(zhuǎn)換通道的群延時(shí)。如果AMBE-2000的CODEC-SEL[1-0]被設(shè)置為01B時(shí),聲碼器芯片送控制字到AD73311的控制寄存器。

圖2 AMBE-2000與AD73311的接口設(shè)計(jì)

硬件電路采用如圖2所示的連接方式。AD73311的采樣速率可以達(dá)到32kHz、16位采樣數(shù)據(jù),且具有較好的聲音質(zhì)量,因而可以配合AMBE-2000使用,在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。本設(shè)計(jì)中,AMBE-2000選擇的管腳接法將壓縮率定義為2kbps,AMBE-2000和AD73311的外部時(shí)鐘頻率都是16.384MHz,AD73311的采樣頻率是32KHz,幀同步時(shí)鐘和位同步時(shí)鐘均由AD73311產(chǎn)生,并提供給AMBE-2000。語(yǔ)音信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)和控制信息以串行的方式送到聲碼器。在20ms之內(nèi),聲碼器將A/D轉(zhuǎn)換器送來(lái)的數(shù)字化語(yǔ)音壓縮,按其幀格式打包后送至編碼器輸出緩沖器,并將解碼器輸入緩沖器的數(shù)據(jù)包解壓還原送向D/A轉(zhuǎn)換器,從而完成對(duì)數(shù)字語(yǔ)音的編、解碼。

3.3 單片機(jī)與AMBE-2000的接口設(shè)計(jì)

聲碼器與主機(jī)接口的數(shù)據(jù)格式分為兩種:有格式和無(wú)格式。在本系統(tǒng)中,設(shè)置聲碼器芯片處理的數(shù)據(jù)為有格式,主要目的是為了在數(shù)據(jù)編碼時(shí)提供一定的校正信息。

在有格式下,AMBE-2000輸出的一幀數(shù)據(jù)[1]由24個(gè)格式字組成,每個(gè)格式字包含16bits,總共384bits。在這24個(gè)格式字中,前12個(gè)字為幀頭信息,后12個(gè)字為數(shù)據(jù)。幀頭信息包括ID、狀態(tài)位、控制位等信息,對(duì)AMBE-2000初始化就是設(shè)置這些幀頭信息。這里需要注意的是,這些幀頭信息只有當(dāng)AMBE-2000工作在9600bps時(shí)(9600bps÷50幀/s=192bits/幀),才和語(yǔ)音數(shù)據(jù)完全結(jié)合在一起。當(dāng)速率低于9600bps時(shí),編碼語(yǔ)音將從最高有效位(MSB)開(kāi)始填充,并將后面不用的位清零。但是,不管AMBE-2000工作在何種速率下,編碼器輸出的數(shù)據(jù)和解碼器接收到的數(shù)據(jù)都是完整的384bits。

在硬件電路連接上,聲碼器芯片信道數(shù)據(jù)口的收、發(fā)和單片機(jī)的發(fā)(P1.3)、收(P1.4)相連;聲碼器芯片信道數(shù)據(jù)口的工作時(shí)鐘和單片機(jī)的時(shí)鐘(P2.0)相連;聲碼器芯片信道數(shù)據(jù)口的幀同步脈沖和單片機(jī)的幀同步(P1.2)相連;同樣,兩個(gè)串口的位同步脈沖也連接在一起。主機(jī)接收、發(fā)送時(shí)鐘由單片機(jī)產(chǎn)生,AMBE-2000壓縮編碼后的數(shù)據(jù)包送到單片機(jī)。在20ms之內(nèi),單片機(jī)將AMBE-2000送來(lái)的數(shù)據(jù)包處理后以串行的方式發(fā)送出去,并將單片機(jī)送來(lái)的數(shù)據(jù)包解壓還原送向D/A轉(zhuǎn)換器,從而完成對(duì)數(shù)字語(yǔ)音的控制。采用這種連接方式可以進(jìn)行全雙工通信。

圖3 AMBE-2000與AT89S52的接口設(shè)計(jì)

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 AMBE-2000與AD73311的初始化

AMBE-2000芯片的復(fù)位、初始化是通過(guò)接收各種控制信號(hào)完成的,主要進(jìn)行數(shù)據(jù)格式、波特率、編解碼速率、語(yǔ)音激活檢測(cè)、回波抵消等的初始設(shè)置。AMBE-2000的復(fù)位時(shí)間為50μs,復(fù)位信號(hào)的恢復(fù)時(shí)間為95ms。也就是說(shuō),聲碼器芯片在復(fù)位信號(hào)開(kāi)始95ms之后的上升沿才會(huì)開(kāi)始處理數(shù)據(jù)。

AD芯片的初始化工作是在上電后,由AMBE-2000向其發(fā)送控制字完成的。當(dāng)然,如果想讓聲碼器上電后自動(dòng)初始化AD芯片,AMBE-2000的CODEC_SEL0和CODEC_SEL1兩個(gè)引腳應(yīng)配置為10B,采用硬件配置,無(wú)需進(jìn)行軟件操作。本系統(tǒng)中AMBE-2000向AD芯片發(fā)送的初始化控制字如表1所示。

AMBE-2000和AD73311的復(fù)位都是低有效,前者的復(fù)位信號(hào)要求維持95ms,后者要求15ms。如果兩個(gè)芯片都采用加電自動(dòng)復(fù)位,那么在復(fù)位后,AD73311輸出的數(shù)據(jù)對(duì)AMBE-2000的復(fù)位會(huì)造成影響,所以在沒(méi)有任何數(shù)據(jù)輸入的情況下,在解碼端輸出無(wú)效數(shù)據(jù),從而對(duì)通話質(zhì)量產(chǎn)生了明顯影響。而將兩個(gè)芯片的復(fù)位電路分開(kāi)后,先對(duì)AMBE-2000復(fù)位,然后對(duì)AD73311復(fù)位。

表1 AMBE-2000向AD73311發(fā)送的控制字

4.2 系統(tǒng)主程序的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)加電正常工作后,單片機(jī)、聲碼器自動(dòng)復(fù)位,復(fù)位使能AD73311,主程序?qū)纹瑱C(jī)進(jìn)行初始化。軟件編程的重點(diǎn)就是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程。

單片機(jī)程序的流程圖如圖4所示:單片機(jī)根據(jù)AMBE-2000的編碼包就緒標(biāo)志(EPR)給AMBE-2000發(fā)送時(shí)鐘(若不向AMBE-2000發(fā)送時(shí)鐘,AMBE-2000不會(huì)輸出STRB指示),并且不斷監(jiān)測(cè)STRB,直到管腳出現(xiàn)上升沿,單片機(jī)準(zhǔn)備第一次收發(fā)數(shù)據(jù)。單片機(jī)將AMBE-2000發(fā)送的16位數(shù)據(jù)分成高8位和低8位,分別送到串行口輸出,同時(shí),將串行口接收到的兩個(gè)相鄰的8位數(shù)據(jù)組合成16位數(shù)據(jù),送到AMBE-2000進(jìn)行解碼,直到完成1幀數(shù)據(jù)的收、發(fā),繼續(xù)等待下一個(gè)編碼包就緒標(biāo)志的到來(lái),重復(fù)上面的步驟處理數(shù)據(jù)。

AMBE-2000每20ms完成1幀語(yǔ)音數(shù)據(jù)的編、解碼運(yùn)算,并與單片機(jī)以串行方式交換一次數(shù)據(jù)。AT89S52將編碼后的語(yǔ)音輸出,同時(shí)將得到的數(shù)據(jù)送到AMBE-2000進(jìn)行解碼,處理1幀數(shù)據(jù)的時(shí)間必須在20ms內(nèi)完成,以免引起數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_突。

圖4 主程序流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)潛水員水下通信進(jìn)行了研究,實(shí)現(xiàn)水下近距離通信。該方案的硬件系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52作為主控芯片,實(shí)現(xiàn)對(duì)AMBE-2000和AD73311的控制,實(shí)現(xiàn)了潛水員間的水下近距離通信,具有一定的實(shí)用參考價(jià)值。

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Design of Underwater Wireless Communication System for Diver Based on AMBE-2000 and AT89C52

WANG Dandan JIA Linsheng YANG Daguang

(Naval Aviation Academy,Huludao 125001)

A underwater wireless voice communication system for diver is designed based on ambe-2000 and MCU.The blockdiagram of hardware and program flow chart are given.AT89S52 of ATMEL company is utilized as the main control MCU,which contrals AMBE-2000 and AD73311.The system realized the underwater close range wireless communication for diver with electric current.

AMBE-2000,AD73311,MCU,voice digital communication,electric current

2014年8月9日,

2014年9月18日

汪丹丹,女,碩士,助教,研究方向:無(wú)線通信。賈臨生,男,碩士,助教,研究方向:飛機(jī)特種設(shè)備。楊大光,男,碩士,講師,研究方向:飛機(jī)特種設(shè)備。

TP274

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.022