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DMR通信协议与数字对讲机基带模块设计

作者:西安电子科技大学 杨懋 杨家玮 程万灵  信息来源:单片机与嵌入式系统应用  2008-11-20

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引 言 随着嵌入式技术的发展,单片机、DSP、ARM等处理器已经广泛应用于通信行业,尤其是在无线通信领域更是有其不可替代的作用。本设计中所用的核心器件MSP430FG4619是TI公司推出的MCU,TMS320VC5510(简称“VC5510”)是TI公司的5000系列DSP,而语音编解码芯片AMBE一2000也是以DSP为内核的。如今,模拟对讲机仍然占据绝大部分...
引 言
   
随着嵌入式技术的发展,单片机DSP、ARM等处理器已经广泛应用于通信行业,尤其是无线通信领域更是有其不可替代的作用。本设计中所用的核心器件MSP430FG4619是TI公司推出的MCU,TMS320VC5510(简称“VC5510”)是TI公司的5000系列DSP,而语音编解码芯片AMBE一2000也是以DSP为内核的。
    无线对讲机由于具有即时通信、经济实用、成本低廉、使用方便以及无需通信费等优点,因此广泛应用在民用、紧急事件处理等方面。尤其在紧急事件处理以及没有手机网络覆盖的情况,对讲机更加显示出它的不可取代的地位。如今,模拟对讲机仍然占据绝大部分的市场,但是由于数字通信可以提供更丰富的业务种类,更好的业务质量、保密特性和连接性,以及更高的频谱效率,因此数字对讲机的研究、生产和使用是与时俱进的,符合信息化、数字化发展的必然趋势。DMR(Digital Mobile Radi0,数字移动无线电)协议是欧洲电信标准协会(ETSI)于2004年所提出的一种新型的数字集群通信协议,具有很好的发展前途。

1 DMR通信协议的简要介绍
    DMR协议使用一种双时隙TMDA接入的方式,每个突发2个时隙,每个时隙30 ms。其中每个时隙都有1.5 ms的保护时间。DMR协议结构遵守一种普通的分层结构,这种结构适用于描述参考资料和说明分层的通信结构。DMR标准定义了一种模型草案,把模型分成3层,如图1所示。

2 整体设计及系统工作原理
    DMR数字对讲机的基带模块硬件整体设计原理框图如图2所示。

    整个基带系统的核心器件为信号处理器件和控制器件。其中,信号处理器件选择TI公司的DSP芯片VC5510,控制器件为TI公司的MSP430FG4619单片机。
    DSP的主要功能自然是数字信号的处理,本设计中VC5510实现信令编解码、语音数据的收发(与AMBE一2000)的通信、帧同步、4FSK调制解调等功能。
    MCU是整个系统的控制中心,人机接口(键盘、显示)与MCU直接相连。MSP430FG4619实现与射频模块的通信(包括基带信号发送接收、射频频点控制、信道检测等),DMR协议的高层控制(信令),人机接口互通等功能。MSP430FG4619是TI公司推出的一种超低功耗的16位单片机口,具有丰富的片内外围资源,有丰富的定时器、各类串口、显示驱动、AD/DA等功能,通用端口也可对位进行操作。
    语音编解码器件为AMBE一2000,内核其实也是DSP。它是一种采用MBE(AMBE)算法的高性能多速率语音编解码芯片,用于实现对数字语音数据的编码及解码,其编解码速率可以硬件、软件控制,根据DMR协议的需要以及AMBE一2000的特点,编解码速率选择为3.6kbps。与AMBE一2000相连的AD/DA转换器选择为AD73311,其兼容性非常好,广泛用于完成语音信号的模拟/数字互相转换。MSP430FG4619FG4619自带的AD/DA与射频接口相连,完成最终基带信号的数字/模拟相互转换。
    信令与语音的通信机理是不一样的:信令发送端由人机接口发起,通过MCU组帧,送往DSP编码,再交由MCU进行D/A转换,经射频模块发送出去;接收端的信号经过MCU的A/D转换后送往DSP进行解码,解码成帧后送往MCU进行处理。而语音的编解码完全由AMBE一2000来实现,经过DSP中转,由MCU进行发送或接收。

3 关键模块电路连接原理
3.1 MCU与DSP之间的连接
   
由于VC5510具有增强主机接口(EHPI),因此可以直接将主机接口的相应引脚与MCU相连。其中HINT为送往主机的中断,必须为MCU中具有中断功能的通用I/O口,设计中选择P1.3,其他引脚可以为一般的GPIO。其电路连接原理图如图3所示。

    HCS为片选信号,始终有效。HMODE为复用/非复用选择信号,低电平为复用模式。HlBE0和HBE1用来选择高的字节数据有效,本设计中接地,表示高低字节均有效(16位)。HR/W确定HPI的读/写模式。HCNTL0、HCNTL1联合用来确定主机访问HPI的哪个寄存器:地址寄存器HPIA、数据寄存器HPID、控制寄存器HPIC。HRDY为从机(DSP)数据准备好信号。HINT用于从机(DSP)中断主机(MCU)。
    MCU可以通过与HPI相连的相应引脚直接访问DSP的片内RAM,是一种DMA模式,而无需DSP参与,真正体现了主机一从机模式。在主机访问从机片内资源时,从机可以独立地执行其他任务。主机需要从机响应时(有信令发往DSP),MCU可以通过访问DSP的主机控制寄存器HPIC的特定位来向DSP发送一个中断;从机DSP需要主机响应时(向MCU发送信令),也可以通过HINT引脚来中断主机。实验证明,这种连接方法方便有效,可以实现无差错通信。
3.2 DSP与AMBE一2000的连接
    VC5510与AMBE一2000之间可以方便地通过多通道缓冲串口(McBSP)来连接。而AMBE一2000的数据准备好信号EPR应该连到DSP的一个外部中断INT3上。
    这部分的电路连接如图4所示。

    设计中,AMBE一2000采用主动模式,因此AMBE一2000的发送帧同步信号(CHAN_TX_STRB)由自己提供,其他的时钟均由DSP提供。串口时钟频率应当低于2 MHz。
3.3 AD/DA功能
    在前期的设计中,AD/DA功能是使用专门的芯片来实现的,与DSP相连。但是由于DSP资源紧张,再加上成本的考虑,决定使用MSP430FG4619自带的AD/DA功能来实现,其中MSP430FG4619的ADC和DAC都是12位的,有16路ADC通道和2路DAC通道。采样参考电压、采样率、采样触发信号、采样模式等都很丰富,可以软件编程控制。因此,使用MCU自带的AD/DA功能是一个既方便又实用的方法。


4 软件简要总体设计
   
由于分为信令线和语音线这两条线,因此软件设计也应围绕这两条线分别设计:协议的底层部分由VC5510来完成,主要实现信令的编码/解码、4FSK调制解调、帧同步以及时隙;高层部分则完全是在MCU中实现的。
    明确了“两条线”体现出模块化的思路,有助于软件的实现。底层模块完全在VC5510之中完成,而高层模块则在MSP430FG4619中实现。VC5510与MSP430FG4619的开发工具分别为CCS和IAR,均可以使用C语言来编写,另外IAR还可以使用C++语言来编写,因此软件编写就不会显得陌生。

结 语
    实验证明,本文所提供的设计方案是可行的,并且在之前的设计方案基础上进行了比较大的简化。本文的创新点在于使用新型通信协议DMR,并在其基础上设计了一种数字对讲机的整个基带模块。本文的DMR数字对讲机基带模块设计为我国的数字对讲机领域的研发提供了一种新的思路和方法。相信DMR协议以及在此基础上的数字对讲机行业必将蒸蒸日上。

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