短距離多點無線語音傳輸系統的設計與實現

陳成明, 虞麗娟, 曹守啟

(1. 上海海洋大學 工程學院， 上海 200090;(2. 同濟大學 機械與能源工程學院， 上海 201306)

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短距離多點無線語音傳輸系統的設計與實現

陳成明1,2, 虞麗娟2, 曹守啟1

(1. 上海海洋大學 工程學院， 上海 200090;(2. 同濟大學 機械與能源工程學院， 上海 201306)

摘要：結合STM32單片機，研究短距離多點無線語音通信系統的開發，探討系統軟硬件的可行性設計.通過配置硬件模塊和功能軟件，構建短距離多點無線語音傳輸系統的理論模型.結果表明：設計的系統拓寬了市面上現有對講機的內嵌功能和使用范圍，既不受信號網絡覆蓋局限的影響，又無需信息服務費，而且在技術層面改變傳統對講機同頻單工的通信模式，實現了多點間無線語音廣播、組播和單播功能.

關鍵詞：無線語音傳輸； 短距離； STM32； 多點通信； 對講機

移動電話在很多復雜區域和特殊場合的功能應用并沒有達到人們的預期效果.開發新的短距離多點無線語音傳輸系統，有助于解決復雜區域和特殊場合的群體活動中成員間的通話難題，增加交流效率，提高快速應變的能力[1].本文緊扣實際研究需要，綜合考慮特定單片機的實際性能，借助STM32單片機研究開發短距離多點無線語音傳輸系統.

1STM32芯片

STM32芯片家族是一款基于ARM Cortex-M3內核理論開發的32位處理器.Cortex-M3內核采用哈佛結構，指令代碼和數據之間的各存儲空間相對獨立.Cortex-M3內核的硬件單元部分大量集成存儲單元的控制器，有效降低了微控制單元(MCU)對外聯接的設計工藝難度.

1.1STM32F103RBT6芯片特點

STM32F103xx系列最高可控工作頻率達到72 MHz，內嵌存儲器的容量規格呈動態化.芯片中集成多項功能，還有多種先進的通信接口.

STM32F103RBT6芯片引腳數為64.程序空間存儲器存儲容量達128 KB，隨機輸入輸出管理存儲器的設定存儲容量高達20 KB.STM32F103RBT6芯片上的2個串行外設接口(SPI接口)能提供18 Mbit·s-1的傳輸速率.設計時，SPI接口分別對應直連無線通信模塊和語音模塊自身具有的SPI接口.芯片處理器封裝的64個引腳各具特定功能.因此，選擇STM32F103RBT6芯片作為系統主控制芯片.

1.2STM32F103RBT6芯片啟動設置

STM32F103RBT6芯片中，BOOT0，BOOT1引腳用于設置STM32的啟動方式.設計中，芯片的RTS和DTR串口會發送可接收的信號自動調整BOOT0和BOOT1的運行值，啟動系統將不再是手動轉換STM32.RTS和DTR串口信號的傳輸便于串口指令下載和系統的在線調試.

2整體設計方案

系統設計主要由3部分組成：通信技術、硬件和軟件[2].通過設計開發出的短距離多點無線語音傳輸系統，能快速實現廣播組播等功能優勢，降低研發成本，增加工業生產線量產收益[3].

2.1通信技術

移動通信網絡的發展歷程經歷了幾個階段.2G 移動通信網絡實現了遠距離的語音通信，以CDMA,GSM等技術為代表.3G移動通信網絡實現了多媒體多樣化業務的高速傳輸[4]，以TD-SCDMA,WCDMA,CDMA2000等技術為代表.與此同時，4G 移動通信經過近幾年的研究開發，積極實現試點應用并廣泛實施，以TDD-LTE,FDD-LTE,WiMax為代表[5]，逐步融入并改變了人們的生活.

目前的通信領域中，已經成功研發了多種短距離無線通信技術.權衡無線通信技術的優勢與劣勢，綜合考慮適用性、投入成本、系統能耗、信號傳輸速率、通信傳輸距離等因素，文中選用2.4G無線技術作為設計系統的無線通信技術.

2.2硬件平臺設計

2.2.1無線模塊設計在常見的2.4G無線通信芯片中，通過傳輸速率、多點通信、待機電流及時間優勢、適用性等比較，選用nRF24L01芯片作為本系統的無線模塊.nRF24L01芯片的內部集成了NORDIC的Enhanced Short Burst協議，其內嵌功能確保了無線通信的點對點、點對多點互聯.芯片上的SPI接頭能保障各種功率選擇、頻道分布選擇和執行協議的設定等傳輸配置.芯片具備125個通信頻道，能夠明顯提高系統的抗干擾能力[6].芯片的通信信號傳輸速率峰值可達2 Mbit·s-1，能夠在70～100 m的通信距離范圍內發揮功效.該芯片的工作電壓基本保持在1.9～3.3 V，是實現短距離內單對單、單對多無線語音通信的最優化選擇.

無線模塊設計的整體地址選擇和數據指令均與主控制處理器STM32F103RBT6的通信穩定鏈接，同步運行靠SPI口完成，確保工作時無線模塊nRF24L01自身的SPI口直接連入STM32的SPI1口.CSN以低電平的工作模式實現為SPI口的數字輸入階段信號篩選功能.SCK作為SPI時鐘輸入口，控制整個無線模塊的工作頻率.STM32作為主處理器，激勵nRF24L01模塊的MOSI和MISO口，在發送模式下通過MOSI發送數據，在接收模式下通過MISO接收數據；一旦進入nRF24L01的待機或掉電模式，MOSI和MISO口將自動配置nRF24L01模塊的有效工作參數穩定性能.

2.2.2語音編碼模塊設計在通信領域內，實現語音編碼算法中，應用比較突出的技術包括脈沖編碼調制(PCM)，自適應增量調制(ADM)和自適應差分脈沖編碼調制(ADPCM)[7].設計主要通過比特率、延遲時間、復雜程度和研發工藝質量4個性能參數作為評價標準選擇編碼技術.綜合比較，選擇ADPCM作為語音編碼方案.

VS1003B語音芯片基于ADPCM編碼技術開發，功能明確，采用數字化處理方式調整模擬態的語音信號.數字化的語音數據由主控制器STM32處理后集中被還原成聲音，驅動耳機或音響發送.VS1003B模塊使用SPI口與STM32的SPI口相連進行通信.語音模塊使用的系統時鐘頻率達到一定值時，STM32系統時鐘會調整至語音模塊使用的系統時鐘頻率的兩倍，應該積極運用相關軟件配置VS1003B連入STM32的SPI口，迅速匹配工作速率值，確保兩者間的實時通信成功率.

2.3軟件設計

軟件設計的核心技術要求實現系統以及各選用硬件模塊的初始化、建立有效的通信鏈路、建立正確的無線收發信道，確保防干擾，降低掉包率.文中采用先形成通信鏈路再實現語音傳輸的策略，發送端口將數字化控制信令發出，脫離語音數據后獨立傳輸，在尋求到合適的目標后，建立可行的通信握手機制[8]，搭建通信鏈路，確保語音數據的傳輸.

2.3.1系統整體初始化nRF24L01無線模塊的數據操作，由STM32主控制單元的SPI 接口完成.nRF24L01模塊初始化流程，如圖1所示.VS1003B模塊初始化流程，如圖2所示.

圖1　無線模塊初始化流程圖 圖2　語音模塊初始化流程圖Fig.1　Flow chart of wireless module initialization Fig.2　Flow chart of voice module initialization

STM32將分離出7個專用的通用輸入輸出I/O口，與VS1003B模塊各引腳端口互連.STM32的SPI2口中有3個接口，分別對應VS1003B模塊的3個接口，即STM32的PB14與VS1003B的MISO相接、STM32的B15與VS1003B的MOSI相接、 STM32的PB13與VS1003B的SCLK腳對接.而STM32剩余4個通用 I/O則全部接入VS1003B剩余4根接線.模塊的通用普通 I/O口應在語音模塊初始化之前進行初始化；然后，進一步初始化已經互聯的主控器專用SPI口；最后，通過SPI2總線對VS1003B實現初始化.

2.3.2建立通信網絡鏈路使用nRF24L01特有的Enhanced Shock Burst模式實現通信鏈路的建立.無線模塊在接收模式下的接收端，封裝有自動應答功能.發出的應答對應指令為ACK信號[9].在發送模式下，數據在MCU中緩存，啟動Shock Burst后完成數據發送.發送步驟結束后，模塊自動切換到接收模式，重新等待收端不間斷發出的ACK信號.模塊的0號數據通道具備的40位容量能夠完整接收ACK信號.具體數據發送流程，如圖3所示.通信鏈路建立的數據接收流程，如圖4所示.

圖3　數據發送流程圖 圖4　數據接收流程圖　Fig.3　Flow chart of a data send Fig.4　Flow chart of a data reception

2.3.3無線語音收發的主動運行過程無線語音收發過程由VS1003B模塊中的SPI口完成數據讀寫.無線模塊選擇Shock Burst發送模式，等待指令開始工作.語音模塊通過智能算法將獲取的語音模擬信號轉換成一定編碼的數字語音數據，存放于VS1003B的FIFO緩存中.FIFO緩存積滿32字節數據后發送，由主控制器STM32通過SPI口讀取緩存中的語音數據，寫入無線模塊nRF24L01發送緩存.而nRF24L01也將選擇每次發送32個字節語音數據實現完整通信.整個無線語音的收發過程中，系統設置的LED1燈會隨著每讀寫8 000字節的語音數據而閃爍一次.正常的閃爍頻率能夠指示系統的當前工作狀態.

語音接收過程與發送過程運行機理相似，但進出通道正好相反.nRF24L01進入接收模式，一有數據便接收存入VS1003B緩存FIFO，STM32的SPI口讀取信息后在語音模塊中進行數據解碼，同時通過外放裝置實現播放.整個過程簡單有效，具有極高的執行效果.同時，系統設置的LED2燈的周期性閃爍也能夠指示系統的當前工作狀態.

2.3.4頻率切換和自動掃描功能的實現系統采用手動切換發送端頻率，自動掃描接收端頻率的方法.自動切換后的頻率能真正滿足系統語音廣播、組播和單播的功能實現[10].

系統靠外圍按鍵電路電流手動切換發送端的信號發射頻率.在語音發送階段，系統設置的發送鍵KEY1，每手動按下一次，終止語音數據發送.接收端將收到8 個通信中斷數據包發送頻率保持在當前頻率.無線模式接收數據包后，系統的發送頻率開始，搜索獲取下一個頻點后，自動調頻等待通信恢復.

接收端在接收模式下，自動掃描頻率后開始工作.接收端輪流在1個廣播頻率，2個組播頻率和各個單播頻率等各個頻點上依次等待接收數據.一旦在某個頻點上發現數據流出，接收端自動建立該頻點上的通信點，實現發送端通信，開始語音傳輸.

圖5　系統總體結構層次圖Fig.5　System overall structure hierarchy chart

2.4硬件運行總體方案

系統硬件部分主要包括STM32F103RBT6主控制器、nRF24L01無線模塊、VS1003B語音模塊等幾大板塊.發送部分，設計使用的VS1003B語音芯片，能夠快速實現模數轉化，將數字化處理后的模擬聲音信號傳給STM32主控制器.由STM32主控制器進一步封包處理語音數據，封包后的語音數據幀直接發送至nRF24L01無線收發模塊.RF24L01再以一定頻率發送數據幀.接收部分，無線模塊實時接收語音數據幀，主動提取語音數據幀中的語音數據，通過主控制器的反饋機制，積極分析判斷數據內容，向語音模塊傳輸語音數據后進行解碼，并通過外放裝置進行播放.系統中的各功能板塊之間的通信靠STM32主控制器與nRF24L01無線模塊和VS1003B語音模塊之間的SPI接口完成信息交換.系統總體結構層次，如圖5 所示.

3結束語

設計開發短距離多點無線語音傳輸系統.該系統考慮實際，追求低成本、突出輕便靈活、具有較豐富的功能特點.硬件設計系統的處理器單元、無線通信模塊、語音模塊均進行合理選材設計，軟件設計也針對每一個模塊單位做出嘗試分析，最終實現了多點間無線語音廣播、組播和單播功能.

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(責任編輯： 黃曉楠英文審校： 吳逢鐵)

Design and Implementation of Short-Range Multi-Point Wireless Voice Transmission System

CHEN Chengming1,2, YU Lijuan2, CAO Shouqi1

(1. College of Engineering Science and Technology, Shanghai Ocean University, Shanghai 201306, China;(2. College of Mechanical and Energy Engineering, Tongji University, Shanghai 200090, China)

Abstract：This paper studied the development of short range multi point wireless voice communication system, combined with STM32 single chip microcomputer and discussed the feasibility of the system hardware and software design. It constructs the theoretical model of short range multi point wireless voice transmission system, by configuring the hardware modules and functional software. Result shows that the system has been designed to expand the inter embed function and using scope of the commercial interphone. It is not affected by the limitation of signal network coverage and doesn′t need information service fee. At the technical level, it has changed the traditional mode of communication with the radio frequency simplex. At the same time, it has realized the multi point wireless voice broadcast, multicast and unicast function.

Keywords：wireless voice communication; short distance； STM32; multi point communication； interphone

中圖分類號：TN 929.5

文獻標志碼：A

基金項目：上海市2015科技創新行動計劃項目(15DZ202202)

通信作者：陳成明(1978-)，男，講師，博士研究生，主要從事物聯網工程的研究.E-mail:cmchen@shou.edu.cn.

收稿日期：2016-03-08

doi:10.11830/ISSN.1000-5013.2016.03.0312

文章編號：1000-5013(2016)03-0312-04