機車綜合無線通信設備語音單元的設計與實現

謝曉燕，石曉龍

(西安郵電大學 計算機學院，陜西 西安 710061)

機車綜合無線通信設備語音單元的設計與實現

謝曉燕，石曉龍

(西安郵電大學 計算機學院，陜西 西安 710061)

機車綜合無線通信設備(Cab Integrated Radio communication equipment，CIR)是目前國際流行的列車無線調度通信用車載設備。設備的語音單元主要負責機車在鐵路移動通信系統(GSM-Railway，GSM-R)網絡覆蓋下進行語音調度通信，在系統中起著至關重要的作用。為了滿足CIR通過GSM-R進行語音通話的實際需求，文中設計了一種基于Cinterion-MC55i無線通信模塊、單片機和復雜可編程邏輯器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)組成的CIR語音通信單元。在分析實際系統功能需求和應用特點的基礎上，提出了系統的總體結構，并給出了主控電路、無線通信電路等主要硬件電路的詳細設計。在此基礎上，對單片機主控程序及看門狗芯片控制、串口數據傳輸等系統核心軟件模塊進行了詳細說明。測試結果表明，設計的語音通信單元運行狀態穩定，能夠滿足CIR設備的通信要求。

機車綜合無線通信設備；語音單元；鐵路移動通信系統；無線通信模塊；單片機

0 引 言

隨著我國鐵路GSM-R網絡建設的快速發展，鐵路通信設備也隨著鐵路通信技術的發展得到了提高，機車綜合無線通信設備(CIR)逐步取代了原有的無線調度通用式機車電臺，成為新一代列車無線調度通信的主要車載設備[1-3]。它既能滿足我國新建鐵路GSM-R數字移動通信系統，又能夠兼容傳統模擬制式450 MHz模擬無線通信系統[2]。CIR主要由主控制單元、GSM-R語音單元、GSM-R數據單元、GPS衛星定位單元、記錄單元、450 MHz機車電臺單元、電源單元和接口單元等組成[4-6]。

GSM-R語音單元為CIR設備的核心單元，該單元是在主控制單元的控制下完成GSM-R語音調度通信功能。主要包括點對點的語音呼叫業務、語音廣播業務、語音組呼業務、公眾緊急呼叫業務和多方通信[7-9]。目前該單元的主流設計方案是芯片級設計的移動通信終端[10]。國內廠商在這方面起步較晚，并且提供的套片在電磁兼容性及GSM-R協議棧等方面存在許多問題[11]。

基于此，文中提出了一種基于技術成熟的GSM模塊和嵌入式技術的GSM-R語音單元。該系統利用GSM模塊MC55i作為系統的無線數據發送/接收終端，數據的處理由單片機HD64F3048BVTE和CPLD來完成。該系統具有性能穩定、可靠性高和成本低等特點。

1 系統組成

文中提出的GSM-R語音單元主要由單片機、GSM通信模塊、復雜可編程邏輯器件(CPLD)等組成，系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

其中，微控制器作為系統的主控芯片，通過串行總線與GSM模塊進行數據傳輸。系統開機時由單片機給GSM模塊發起開機信號，GSM模塊上電后自動監測網絡是否連通并進入工作模式。當機車司機通過GSM-R語音單元進行呼叫通信時，通過CIR的操作終端發送呼叫請求，GSM-R語音單元的CPLD將接收的數據發送給單片機，單片機對數據進行處理后發送給CPLD，CPLD最后將數據交給無線通信模塊MC55i進行合適的調制，MC55i將數據轉化為電磁波通過天線發射出去。被呼模式原理相同。

2 系統硬件設計

2.1 主控制電路

單片機采用瑞薩科技公司生產開發的HD64F3048BVTE，它是以H8/300H CPU為核心，且集成了若干重要的系統支持功能部件的高檔微控制器[12]。H8/300H CPU內部體系結構為32位，128 K RAM，4 K ROM，2路SCI串行通信接口，最大時鐘頻率25 MHz[13]。

CPLD采用ALTERA公司的EPM3064 -ATC100芯片[14]，主要進行數據傳輸和看門狗芯片的邏輯信號控制。CPLD的時鐘是通過單片機的外脈沖信P67/φ引腳提供，其時鐘頻率與單片機的時鐘頻率相同。串口電路用于PC機和系統通信，采用芯片ADM3202ARU實現RS232標準的數據傳輸。看門狗復位電路利用看門狗監測芯片ADM706SAR監測系統是否工作正常。

接口電路連接圖如圖2所示。

圖2 CPLD接口電路連接圖

其中，RD和WR信號為單片機的讀寫使能信號，CS為片選信號。當CS、RD或CS、WR為低電平時，單片機對CPLD芯片進行讀寫操作。C_RES信號為看門狗發送給單片機的復位信號，當看門狗計數器溢出以后，看門狗芯片給單片機發出復位信號，低電平有效。MD2引腳為單片機的模式選擇引腳，FWE信號為加載使能信號。當通過串口給單片機加載程序時，FWE信號有效并且根據芯片手冊MD2模式引腳在加載程序時要進行改變。

2.2 無線通信電路

數據的接收與發送采用Cinterion公司的GSM無線通信模塊MC55i。該模塊為工業級GSM/GPRS模塊，支持的頻率為GSM 850/900/1 800/1 900 MHz。集成了TCP/IP協議棧，使用十分方便，主要應用在消費類電子產品和工業控制領域[15]。

GSM模塊電路連接圖如圖3所示。

圖3 GSM模塊電路連接圖

3 系統軟件設計

文中的GSM-R語音單元采用嵌入式系統設計，系統軟件采用模塊化的設計思想，分為CPLD軟件程序和單片機驅動程序兩大部分。

3.1 CPLD程序設計

CPLD程序模塊包括看門狗芯片控制模塊和串口數據傳輸模塊。

(1)看門狗芯片控制模塊。

為了使硬件看門狗更加可靠，使用起來更加靈活，設計采用看門狗芯片配合邏輯器件(CPLD)來使用。考慮到給單片機加載程序時單片機給看門狗芯片不發送喂狗信號，看門狗在最大計數時間沒有收到喂狗信號，就會發送復位信號使系統復位，所以設計在加載程序時禁止看門狗對系統進行復位。

主要代碼如下：

assign debug=(!fw_dn_);//CPU加載程序

assign mrst_706_=(debug ?1'b1:wdo_706_) ? 1'bz:1'b0;//CPLD輸出復位信號給看門狗芯片，wdo_706_為輸出看門狗信號

assign wdtc_706=wdtc_reg ? 1'bz:1'b0;//CPLD輸出清狗信號

assignc_res_=reset_ ? 1'bz:1'b0;//給單片機復位，reset_為看門狗輸出復位信號

(2)串口數據傳輸模塊。

當CPLD接收到來自調試串口或主設備接口的數據時，將數據通過單片機的串口1發送給單片機，單片機將接收的數據進行處理后通過串口0發送給CPLD，CPLD最后把數據傳輸給GSM模塊，相反如此。對串口接收的數據進行判斷傳輸的關鍵代碼如下：

assign m_txd_o =cpu_txd0_i;

assign cpu_rxd0_o=m_rxd_i;//GSM無線通信模塊串口

assign dbg_txd_o=cpu_txd1_i;//系統通信口和CPU調試串口

assign cpu_rxd1_o=(cpu_sio1_sel || debug)?dbg_rxd_i:sys_txd_i;

assign sys_rxd_o=(cpu_sio1_sel || debug) ? 1'bz:cpu_txd1_i;

3.2 單片機程序設計

3.2.1 主程序的設計

主程序是整個系統軟件程序的核心部分，系統初始化包括：單片機I/O口初始化、指示燈初始化、定時器初始化、串口初始化、CPLD初始化、看門狗初始化、GSM-R模塊初始化、LED初始化等。

系統的主函數程序如下：

void main(void)

{

Tick_Init(SYSTICK_DIV); //定時器初始化

Task_Init();//任務函數初始化

SCI_Init();//串口初始化

Led_Init();//指示燈初始化

Module_Init();//GSM模塊初始化

if(0x80==(*((U8*)0x0ffff8fL)&0x80))

{

Printf(" CpuWDT_Reset");

*((U16*)0x0ffff8eL)=0xA500;

}

CREATE_TIMER_TASK("wdtc"，20，ClearWatchdog，0);//每隔100 ms發送喂狗信號

}

3.2.2 GSM模塊初始化

GSM模塊與單片機之間以標準的AT指令集進行控制和數據交換，當單片機上電復位后，系統對GSM模塊進行初始化設置，單片機以異步通信的方式與GSM模塊進行通信。

單片機向模塊發送“AT”測試其工作狀態，考慮到發送AT指令存在發送一次不成功的情況，因此文中設計采用了多次發送AT指令的方式來避免出錯。如果多次發送后沒有得到正確的響應，則不再發送并通過設置LED指示燈的工作狀態報錯，并且系統進入復位狀態。單片機向模塊發送“AT”，模塊回復“AT/rOK”后，表示模塊通信正常，通過軟件將通信波特率設為9 600 bps，設置LED燈的工作方式，然后執行下一步對模塊的初始化操作。

4 系統測試

將GSM-R語音單元(連接天線和電源)通過USB轉串口線與電腦相連，利用PC機的超級終端通過串口向GSM-R單元發送AT指令進行相關功能測試。該系統進行了通用AT命令、短信數據傳輸、語音撥號以及GSM-R電路交換業務等功能測試，在調試中，選取短信數據傳輸和語音撥號的結果進行分析。

(1)短消息傳輸測試。

短消息的發送和接收控制模式有PDU模式和Text模式。Text模式不支持中文，PDU模式發送中文時需要采用UCS2編碼方式，每個中文字符用16位的Unicode字符表示，短消息的收發通過AT指令完成。

①Text模式發送短信。

Text模式比較簡單，發送格式如下：

AT+CGMF=1<回車> //設置發送模式為Text模式

AT+CGMS=“18700834458”<回車>

>Hello!

+CMGS: //指示消息發送成功

②PDU模式發送短信。

向號碼8618700834458發送“你好！”，實際發送的二進制字符串為：0891683108200905F011000D91688 107804354F8000800064F60597D0021，其含義見表1。

表1 PDU模式下發送消息的含義

PDU模式的短信發送方式和Text模式的短信發送模式相同，發送格式如下：

AT+CGMF=0<回車>

//設置發送模式為PDU模式

OK//PDU模式設置成功

AT+CGMS=<回車> //為短信的長度

> PDU is given //輸入PDU模式下的二進制字符串

+CMGS: //指示消息發送成功

采用以上兩種發送模式發送短信均以成功，同時目標手機也相應接收到了短信。

(2)語音撥號測試。

語音應用呼叫AT指令(打電話ATD+電話號碼；ATA接電話；掛斷電話ATH)，測試結果如圖4所示。

圖4 語音呼叫測試結果

通過測試結果可以看出，系統打電話時被呼移動設備能夠準確收到語音呼叫請求，在進行接、掛電話測試時系統均響應正常。

5 結束語

文中對機車綜合無線通信設備GSM-R語音單元的各個模塊進行了詳細說明，充分結合了單片機和CPLD可編程器件兩者的長處，實現了單片機+CPLD的嵌入式平臺，提高了系統的可靠性及實時性。用CPLD實現串口數據的發送和傳輸以及信號的邏輯控制，充分發揮了CPLD可重構的優勢，克服了模擬電路不易修改的弊端。該語音單元經過測試驗證，工作穩定可靠，能夠達到預期設計要求。

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[8] 劉驍健.高速鐵路移動通信系統集成方案及關鍵技術研究[D].濟南:山東大學,2011.

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[12] 李 勛,盧景山,李新民,等.日立H8/3048系列單片機應用技術[M].北京:北京航空航天大學出版社,1997.

[13] H8/3048B group hardware manual 3.0[EB/OL].2006-09-27.http://cn.renesas.com.

[14] MAX 3000A programmable logic device family data sheet[EB/OL].2006.http://www.ic37.com/ALTERA/MAX-3000A_datasheet_13442240/.

[15] MC55i hardware interface description[EB/OL].2009.https://support.industry.siemens.com/.

Design and Implementation of Voice Unit for Cab Integrated Radio Communication Equipment

XIE Xiao-yan,SHI Xiao-long

(School of Computer Science,Xi’an University of Posts and Telecommunications,Xi’an 710061,China)

Recently,Cab Integrated Radio communication equipment (CIR) becomes a kind of popular vehicle equipment for train radio dispatching.The voice unit is an important part of CIR equipment,mainly in charge of locomotive voice dispatching communication function via GSM-R network.In order to meet the needs of practical application,a kind of CIR voice communications unit based on wireless communication module Cinterion-MC55i,MCU and CPLD was designed in this paper.Based on the function requirements and application features of voice unit,put forward an overall design scheme of the system,and gives the hardware design principle diagram.The design details of key components are involved in,such as main control unit,GSM peripheral circuit.And then,the software design of some kernel modules are given,such as watchdog chip control,serial data transmission,and master control program etc.The test results show that the voice communication module operating is stable,which can meet the communication requirements of the CIR equipment.

CIR;voice unit;GSM-R;wireless communication module;microcontroller

2015-05-22

2015-08-26

時間：2016-01-26

陜西省自然科學基礎研究計劃項目(2013JC2-32)作者簡介：謝曉燕(1972-)，女，碩士生導師，CCF會員，研究方向為計算機系統結構；石曉龍(1988-)，男，碩士，研究方向為計算機信息系統集成與分析。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20160126.1521.062.html

TP368

A

1673-629X(2016)02-0136-04

10.3969/j.issn.1673-629X.2016.02.031