融合ARM與DSP的防毒面具無線通話控制系統應用

摘 要： 由于當前安防領域里防毒面具不易進行有效通信問題，設計一種融合ARM和DSP的防毒面具的無線通話控制系統。以抗干擾、低功耗和耐高低溫三因素為基準，聲源經過EFM32系列ARM，BR261系列DSP和TP2015D1音頻放大器處理，最終輸出高質量的音頻信號。通過LeCroy示波器波形分析表明，該系統可識別人聲和呼吸氣流聲，最大工作電流Imax<200 mA，關閉聲源放大器時，最大電流Imax<30 mA，滿足低功耗工作要求，聲源輸出穩定清晰，具備一定抗靜電強磁干擾能力。

關鍵詞： 防毒面具； 無線通話； 低功耗通話系統； 音頻放大

中圖分類號： TN911?34； TN923 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0084?04

Abstract： In view of the problem that it is difficult for the gas mask in the security?protection field to realize effective communication， an ARM and DSP based wireless call system for gas mask was designed， which takes anti?interference， low?power consumption and high/low temperature resistant as its baseline. Its sound source is processed by EFM32 series ARM， BR261 series DSP and TP2015D1 audio amplifier， and the high quality audio signal is output at last. The analysis results from LeCroy oscilloscope show that the system can recognize the talking voice and airflow noise from breathing. Its maximum working current is less than 200 mA， and the maximum current is less than 30 mA when its audio amplifier is closed. It can meet the requirements of low?power consumption， and stable and clear sound source output. It also has a certain ability of antistatic and strong magnetic interference.

Keywords： gas mask； wireless communication； low?power consumption call system； audio amplifier

0 引 言

眾所周知，防毒面具是防止有毒物質傷害的個人防護器材，其廣泛應用于軍事、消防、救災等安防領域。由于防毒面具密閉特性，導致人員之間不能較好地進行通話，特別是在更加復雜的環境中，難以進行有效通信[1]。

國內外關于防毒面具通信問題的研究歷程已較為深遠。最初，大多數是依靠通話膜和傳聲器來傳遞人聲，但通信效果并不佳，尤其是在惡劣的特殊應用環境下，更加阻礙了人與人之間的通信；其后，國外使用電聲放大器來進行通信，所采用放大器，由于在極端惡劣環境下性能不穩定、功耗大、效率低，不能長時間通話，因此也沒有得到較好的通信效果[1]。目前國內外市場上防毒面具產品種類頗多，比如3M、百安達、Honeywell等安防產品供應商，其防毒面具產品側重于安全防護和材料性能方面，在通話方面仍沿襲以往的通話膜和傳聲器來實現此功能。

文獻[2]采用語音編碼和跳頻技術開發出一種防毒面具內置的無線通話終端，此終端系統實現有以下難點：第一，跳頻通信需采用合理的跳速和語音編碼速率才能確保具有良好的抗干擾性能；第二，需要采用獨特的噪聲抑制算法才能保證減小防毒面具本身的振蕩回聲；第三，難以做到內部數據的正確傳輸和信道的同步，有一定誤碼率。總之，這種無線通信終端雖可以解決短距離通信問題，但在工程領域實現的通信質量不佳。

文獻[3]利用內置的數字對講機進行通信，在遠距離能夠實現較好的通信。數字對講機由音頻模塊、控制模塊和射頻前端模塊組成。在結構方面，對講機與防毒面具在設計上合為一體，會加重防毒面具的整體重量，佩戴不方便。在通信方面，射頻通信本身抗干擾能力不強，語音數據傳輸過程中容易丟失，不能保證數據的正確傳輸。而且，收發雙方是否能夠占用不同的時隙實現收發轉換，在射頻前端模塊能否實現全雙工對講沒有具體說明。

縱觀國內外防毒面具的發展史，針對應用環境復雜多變，佩戴防毒面具不易通信問題，本文設計一種基于DSP和ARM的防毒面具無線遠程通話系統，用于佩戴防毒面具時進行通話交流，系統包括主、副兩種通話系統模式。主通話系統為音頻放大器，可解決短距離通信問題；副通話系統與步話機連接，可實現遠距離通信問題。該系統在抗干擾性能、功耗、效率、通信效果方面作了優化處理[4?5]，彌補了傳統防毒面具市場無專門通信解決方案。

1 系統整體設計方案

本文目的在于提出一種具備一定抗干擾性、低功耗、耐高低溫（60 ℃/-30 ℃），具有主、副通話模式的優點的防毒面具無線遠程通話系統。

為了實現以上目的，對防毒面具無線通話系統整體方案作如下闡述：該系統由主通話和副通話系統兩部分組成。主通話系統由麥克風（MIC?Phone）、電源模塊（Battery Moudle）、ARM控制模塊、聲源處理（DSP）模塊、聲源放大（Audio AMP）模塊、電源指示邏輯（LED）模塊、揚聲器（Speak）組成。副通話系統由麥克風（MIC?Phone）、信號接口模塊、便捷開關按鈕、耳機接聽模塊、步話機組成。主、副通話系統架構圖如圖1所示。

其中，主通話系統主要為音頻放大器，可實現短距離通信（3 m范圍內聲音不低于70 dB）。在主通話系統中，電源模塊給ARM，DSP和聲源放大模塊供電，ARM控制模塊監控電源電壓工作狀態，通過LED電源指示模塊顯示該系統的工作狀態，且調用聲源處理（DSP）模塊對麥克風輸入人聲信號進行處理，再經過聲源放大（Audio AMP）模塊進行放大處理，最終輸出給揚聲器（Speak）；LED電源指示模塊是顯示主通話系統的工作狀態，包括休眠狀態、工作狀態和低電壓報警狀態。

副通話系統通過信號線與防爆型步話機連接，可解決遠距離通信問題。信號接口模塊一方面是通過信號線連接步話機以便通信，另一方面通過采樣電路使輸入語音信號最大限度無失真傳遞給對方；便捷開關是在信號線上安裝的步話機通信按鈕，便于佩戴該防毒面具人員使用步話機；耳機接聽模塊是指使用耳機接聽裝置能夠更清晰地接聽對方語音。

2 主模塊詳細設計與分析

2.1 電源模塊設計

如圖2所示，電源模塊電路設計圖。主通話系統采用3節干電池供電，初始電壓值約為4.5～5.5 V，經過限流保護、濾波降噪、低壓監控處理，最終輸出兩種電壓值，一方面提供3.3 V電壓給DSP和ARM，另一方面提供4.5～5.5 V給ARM控制ADC電源監控和聲源放大模塊。

為達到低功耗和高效率電源輸出目的，電源模塊最大輸入電流為500 mA，采用Litteluse公司0805L50 PTC可重置保險絲進行過流保護；由于磁珠相比電感具有較好的消除高頻效果，所以采用600 Ω的磁珠進行高頻濾波處理；再通過EMI靜噪濾波器處理，抑制電磁噪聲干擾。在電路中采用TPS4898PDRYR低電壓監控芯片，讓ARM控制低電壓小于3.0 V時關斷通話系統。DC?DC部分選用Micrel公司雙同步800 mA降壓DC?DC穩壓芯片MIC2230?AAYML，能夠輸出穩定的3.3 V。

2.2 ARM控制電路設計

為滿足通話系統超低運行和待機功耗、快速運行等條件，ARM選用Energy Micro公司基于32位ARM?CortexM3節能內核的EFM32TG110F芯片[6]，共有EM0～EM4五種低功耗模式，EM2模式下，待機功耗僅需900 nA，比傳統ARM具有更高的處理性能和更低能耗。可以由外部I/O，I2C通信接口等方式喚醒。主控制器ARM硬件電路設計如圖3所示。

EFM32TG120F工作電壓范圍為1.8～3.8 V，電源模塊提供3.3 V穩定電壓，5 mA最大輸入電流。12 b ADC對電源輸入電壓VBT_IN（3.3～5.5 V）采樣監控，在電壓小于3.0 V時，啟動軟開關關閉主通話系統，同時啟動綠色LED（閃亮）進入報警模式。ADC對DSP處理后的聲源信號采樣處理，辨別防毒面具內部氣流聲和人聲，轉換為電壓信號輸出，若為氣流聲，對此聲源不做放大處理，即輸出聲源放大使能信號（EN）為低電平。

2.3 DSP和聲源放大控制電路設計

如圖4所示，防毒面具內部安裝麥克風（MICPhone），人聲通過麥克風輸入到音頻處理DSP模塊（最大輸入電流500 μA），DSP選用安森美BR261系列芯片[7]，內部集成高度優化的數字信號處理器DSP和先進噪聲消減算法，提升嘈雜環境下的語音清晰度和逼真度。聲源放大芯片采用TI公司TPA3015D1YZHR芯片[8]，是一種2 W單聲道D類音頻放大器，具有在低電壓3.6 V時依舊可恒定輸出2 W功率，從而保持放大聲源穩定輸出，且完全具備低功耗標準[9]。

3 數據分析及可靠性驗證

文中提出了基于ARM和DSP的防毒面具無線遠程通話系統，對設計電路模塊提出以下測試標準：第一，測試模塊輸入電壓紋波、效率以及輸入電流變化；第二，驗證低功耗工作模式，即在正常聲源放大狀態，最大工作電流不超過200 mA，不開啟功率放大器時，電流不超過30 mA；第三，驗證ARM識別人聲和呼吸氣流聲；第四，在靜電強磁、高低溫（60 ℃/-30 ℃）環境下，驗證系統能否正常工作；第五，開啟30 h時間連續工作模式，驗證電池電量消耗總時間。搭建通話系統實驗測試場景，搭建模擬人聲測試環境，提供MIC?Phone音頻輸入信號，給主、副通話系統供給3節干電池，利用LeCroy示波器對電路模塊主要信號點進行測試驗證，輔佐儀器有Fulke?15B萬用表、靜電槍、高低溫循環設備等，限于研究成果進展，對通話系統電路模塊作如下實驗驗證分析。如圖5和圖6所示，對麥克風MIC分別輸入人聲和氣流聲時，DSP輸出、聲源放大器AMP以及輸入電流的變化。圖5中，MIC輸入人聲時，通過輸入電壓波形跳變，ARM控制DSP輸出處理后的人聲，DSP輸出后，功放打開，對人聲進行放大。圖6中，當MIC輸入為呼吸和氣流聲，此時MIC輸入平均電壓Umean=752 mV，通過ARM對輸入聲源的判別，即電壓有無明顯變化來判別人聲和呼吸氣流聲。從圖6可以看出，聲源放大芯片使能電平沒有跳變，沒有對該聲源信號進行放大處理，此時關閉放大模塊，電流為5.1 mA（小于30 mA），依舊處于低功耗模式。

DSP對聲源信號的處理效果圖如圖7所示。如圖8所示為聲源輸入輸出波形圖。從圖7和圖8可以看出，DSP消噪效果較好，工作電流低于200 mA。圖8中，MIC輸入平均電壓Umean=1.945 3 V，輸入電流Imean=61.5 mA，Speak輸出Umean=1.003 V，且Speak與MIC紋波峰值減小751 mV-318 mV=433 mV。可以看出，Speak輸出聲源得到了有效的消噪和抗干擾處理，且工作時平均電流僅為61 mA，處于低功耗工作狀態。

4 結 語

本文實現了一種基于ARM和DSP的控制防毒面具無線遠程通話系統，彌補了在該領域里無法有效通信的問題。文中以抗靜電強磁干擾、低功耗和耐高低溫為標準，采用低功耗高效率輸出的集成芯片，經過多次實驗證明，實現了對聲源信號的有效處理，提供了一種在安防領域的有效無線通話系統，解決了佩戴防毒面具人員不易通話問題。可應用于軍工、消防等安防領域；在應用場景、性能和效率等方面具有一定實踐價值。

參考文獻

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[3] 朱良學.一種防毒面具內置的數字對講機： CN201120365193.2[P].2011?09?28.

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[6] Anon. EFM32TG110F datasheet [EB/OL]. [2013?11?22]. www.energymicro.com.

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[8] Texas instruments. 2W constant output power class?D audio amplifier with adaptive boost converter and battery tracking [R]. USA： Texas instruments， 2011.

[9] 張瑋，劉宇，薛志遠，等.基于SPI總線的DSP與音頻編解碼芯片的接口設計[J].電子技術應用，2013，39（6）：31?33.