一种基于FPGA的电台遥控器设计与实现*

赵 杨，咸立文，牛吉凌，冷汶锴

（中国电子科技集团公司第三十研究所，四川 成都 610041）

0 引 言

海岸电台是船岸通信的纽带。它提供海上遇险安全通信保障、沿海航行警告、海上气象警报和海上气象预报播发等公益性服务和公众通信。实际应用中，电台设备固定装备于通信舱。为实现电台设备与操作控制台空间分离，完成对电台远距离控制，研制了一款面向操作员的遥控器。遥控器能够接收操作员的键控信息，提供话音输入输出接口，并实现话音处理。遥控器可对电台进行远程控制[1]，并提供可视化显示功能，具备多级菜单式人机交互界面。

1 遥控器控制系统设计

1.1 应用场景

遥控器系统应用场景，如图1所示。相对于无线通信[2]，有线通信的优势为传送稳定、安全且抗干扰。根据实际使用场景需求，电台遥控器选用有线传输，通过外接电缆与电台互连。

图1 遥控器系统应用场景

遥控电缆实现遥控器设备供电及对外通信。传输信号包含电源信号和RS422接口信号。RS422接口传输按键操作指令、显示控制指令、话音数据（基带数字话音数据/声码话音数据）等信息。

遥控器传输按键操作指令给电台解析，并接收来自电台的显示控制指令，支持对电台的远程操作控制与状态实时显示。

遥控器支持处理操作员话音，具备AD/DA处理及声码话处理功能。它通过RS422接口与短波电台完成语音数据交互。

1.2 控制系统总体方案

遥控器控制系统总体框图如图2所示[3]，由控制模块、人机接口模块、电源模块、手柄、扬声器和液晶屏等部分组成。

图2 遥控器控制系统

（1）控制模块：遥控器核心模块，实现按键、话音、显示等信息处理功能。

（2）人机接口模块：实现按键、液晶屏显示、手柄接入及接口转换。

（3）电源模块：实现电台提供的直流电源到遥控器内部所需的各路电源的转换。

（4）手柄：实现话音输入/输出、键控PTT输入。

（5）扬声器：实现话音的输出，额定功率5 W。

（6）液晶屏：实现人机界面的显示。设计选用北京迪文的DMG64480K057-01WN型号液晶屏。该液晶屏为5.7寸串口屏，自带ARM操作系统，可通过串口下载图片和字库，并通过操作命令实现控制。

1.3 控制器模块设计

控制器模块作为遥控器的核心部件[4]，主要包括FPGA单元、AD/DA单元、声码话单元、接口电平转换与保护单元、音频放大与调整单元、电源转换单元等，如图3所示。

图3 控制器模块硬件组成

1.3.1 FPGA单元

FPGA单元作为控制器模块核心芯片，实现电台同步协议、显示控制回传、按键检测、接口转换和时钟处理等功能。芯片选用Xilinx的XC6SLX150-2FGG484I，包含147 443个逻辑单元，4 824 kbit片内存储资源，满足现有及后续的功能扩展。

1.3.2 AD/DA单元

AD/DA单元实现模拟话音与数字音频之间的采样与合成，芯片选用TI公司的TLV320AIC32，如图4所示。该芯片是一款低功耗立体声音频编解码器，支持基于寄存器的功率控制管理和输入/输出自动增益控制。

图4 TLV320AIC32电路设计

1.3.3 声码话单元

声码话单元主要实现模拟话音到数字话音的转换，并对话音进行编解码处理。

1.3.4 接口电平转换与保护单元

接口电平转换与保护单元实现遥控器内部TTL电平信号与外部电台RS422电平信号的转换，采用的是MAXIM公司的MAX3491，50 m传输距离传输速率可达到2 Mb/s。保护单元实现接口信号保护，采用的是双向TVS保护阵列芯片SMDA15C-7。

1.3.5 音频放大与调整单元

音频放大与调整单元实现输入音频信号的放大和通道选择、输出音频信号的音量调整及扬声器驱动。该单元主要由功率放大器、运算放大器、音量调整电路、通道选择电路、麦克风前置放大器和平衡非平衡变换等组成，如图5所示。

图5 音频放大与调整原理

1.4 开发平台

电路设计和仿真实验选用硬件开发工具Cadence实现。FPGA设计平台为赛灵思公司其配套的ISE开发套件，采用VHDL硬件描述语言实现。

2 可编程芯片FPGA设计

FPGA作为设备控制核心，主要完成以下功能：

（1）模拟话音和声码话音数据的控制收发处理；

（2）遥控接口协议处理；

（3）键盘处理；

（4）显示控制。

2.1 FPGA总体方案

遥控器的FPGA总体实现方案，如图6所示。

图6 遥控器FPGA架构设计

电台操作员对遥控器显示界面的内容进行按键选择。FPGA的“按键信息处理模块”对进行信息解析，经FIFO缓存，再由“电台接口数据处理模块”进行封帧处理后发送至电台。电台根据按键信息将显示控制命令回传，经FPGA的“电台接口数据处理模块”解帧，通过FIFO缓存，再由“显示控制信息处理模块”完成对液晶屏控制。

电台端话音通信包括接收与发送两个方向的处理。发送方向，设备通过手柄接收来自操作员话音信号，并数字化处理。FPGA根据配置参数选择来自TLVAIC32芯片或声码模块的话音数据，经“AD/DA模拟话处理模块”或“声码话处理模块”处理，通过FIFO缓存，再由“电台接口数据处理模块”将话音数据封帧后发送至电台。话音接收方向，FPGA实现对电台话音数据的解帧处理，并转发给外部TLVAIC32芯片或声码模块处理，最后由手柄和扬声器播放。

FPGA通过上述按键、显示、话音信息的处理，达到对电台的配置、查询和管理的效果。

2.2 FPGA各模块设计

为方便实现遥控器FPGA的功能，设计按模块划分，包括电台接口数据处理模块、声码话处理模块、AD/DA模拟话处理模块、按键信息处理模块和显示控制信息处理模块。

2.2.1 电台接口数据处理模块

电台接口数据处理模块主要实现与电台交互数据的同步、组帧、拆帧，并转发到FIFO缓存中。遥控接口电气特性符合RS422规范，接口为同步串口，接口速率为1.25 Mb/s，同步时钟为1.25 MHz，时钟由电台端提供，通信流程如图7所示。数据以协议帧（发送帧和接收帧）为单位进行传输，协议帧的传输速率为2 000帧/秒，每帧中包含625 bits。图8为协议帧字段组成结构。

图7 电台与遥控器的通信流程

图8 协议帧字段组成

2.2.2 声码话处理模块

声码话处理模块主要完成与声码模块的数据交互，以及与电台接口数据处理模块之间的跨时钟域处理。声码模块的数据接口采用同步串行接口，所有编解码数据流都封装成数据帧进行传输。一个数据帧中包含13 Byte，接口时序如图9、图10所示（方向相对于遥控器）。声码话处理模块与电台数据处理模块之间的跨时钟域处理采用异步FIFO实现。

图9 待解码数据输出时序

图10 已编码数据输入时序

2.2.3 AD/DA模拟话处理模块

AD/DA模拟话处理模块实现模拟话音与数字音频之间的采样与合成，采用TI公司的TLV320AIC32芯片。FPGA通过I2C接口对芯片进行初始化参数配置；采用同步串行接口与FPGA交互音频码流数据。本设计中，TLV320AIC32芯片配置为话音单声道、64 kHz采样率、16 bit量化。芯片工作模式采用左调整模式（LEFT JUSTIFIED MODE），其时序图如图11所示。

图11 TLV320AIC32芯片左调整模式时序图

芯片主要寄存器参数配置如下：

Register2:0x00：ADC/DAC采样速率Fs=Fsref；

Register3:0x30：关闭PLL；Q=6；

Register7:0x08：Fsref=64 kHz，ADC/DAC采用单速率模式，左声道对应左通道DAC路径，关闭右通道DAC路径；

Register8:0xf0：主模式，BCLK和WCLK为输出；

Register9:0xC0：左调整模式，字长n=16 bit；

Register15:0x00：打开左通道ADC PGA，增益0 dB；

Register19:0x04：打开左通道ADC，并将LINE1L的模拟话音送至左通道ADC中，增益0 dB；

Register37:0x80：打开左通道DAC；

Register41:0x40：左通道DAC的输出选择路径DAC_L3以连接到左声道输出；

Register43:0x00：打开左通道DAC的输出，增益0 dB；

Register86:0x0B：左声道LEFT_LOP/M作为话音输出，输出电平0 dB。

2.2.4 显示控制信息处理模块

该模块完成液晶显示器的管理和控制，电台液晶面板内容的远程同步显示。设计选用液晶屏的接口为UART接口，因此采用FPGA实现UART发送功能，由UART发送模块实现。

UART发送模块接收需要发送的并行数据，将通过串并转换转换为串行数据，且按照规定的数据格式和波特率，在发送模块时钟下从端口输出至液晶屏串行接口。

2.2.5 按键信息处理模块

该模块完成遥控器面板按键操作的扫描、编码及去抖动处理[5]，处理流程如图12所示。硬件设计将按键排列成矩阵形式，即行列键盘。当按键被按下时，其交点的行线和列线接通，相应的行线或列线上的电平发生变化。此时，FPGA通过检测行列电平变化确定被选中的按键值。由于机械开关闭合时的弹性作用，导致按键闭合或断开瞬间会伴随一连串抖动，因此需要实现按键消抖功能。按键的机械性决定其抖动时间，一般为5～10 ms。因此，当按键闭合时，FPGA对键值锁定。延迟10 ms时，再次锁定键值，并判断两次键值是否一致。若键值一致，则判定为一次有效的按键操作；否则，为机械抖动，FPGA重新进行下一次扫描。最后，FPGA对判定后的结果进行键值译码。

图12 按键信息处理流程

3 结 语

通过上述硬件电路及可编程逻辑FPGA的设计，实现了电台遥控器的“一控双显”及“话音处理”功能。该遥控器在实际应用中取得了很好效果，人机接口操作方便，声码话音和模拟话音清晰可辨。综上所述，该遥控器的应用解决了电台设备与操作控制台空间分离，具备很好的应用价值。

参考文献：

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[2] 杨萍.基于FPGA的功放遥控控制系统的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2016.YANG Ping.Design and Implementation of Power Amplifier Remote Control System Based on FPGA[D].Chengdu:University of Electronic Science and Technology,2016.

[3] 袁宪锋,周风余,王然等.基于ARM的嵌入式移动机器人遥控器设计[J].北京联合大学学报:自然科学版,2012,26(03):26-30,34.YUAN Xian-feng,ZHOU Feng-yu,WANG Ran,et al.Design of an Embedded Mobile Robot Remote Controller Based on ARM[J].Journal of Beijing Union University(Natural Sciences),2012,26(03):26-30,34.

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