張磊，盧華平，王方超
（鎮(zhèn)江船艇學(xué)院 船艇指揮系，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）
摘要：針對超短波電臺訓(xùn)練中實(shí)裝訓(xùn)練存在裝備數(shù)量有限、設(shè)備損耗大、現(xiàn)有純軟件模擬訓(xùn)練系統(tǒng)操作體驗(yàn)與實(shí)裝差距大的問題，提出一種基于STM32和MAX7349的超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32為微處理器實(shí)現(xiàn)對按鍵、LED、顯示屏和音頻接口等的控制，提供與實(shí)裝電臺相同的人機(jī)交互界面，通過串口與計算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，借助計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)完成電臺通信的模擬和訓(xùn)練的監(jiān)控，可為待訓(xùn)人員提供與真實(shí)設(shè)備沒有差距的操作體驗(yàn)，便于掌握每一個人在訓(xùn)練過程中的基本情況，便于大規(guī)模集中訓(xùn)練，同時可以降低成本、避免電磁輻射與干擾。
關(guān)鍵詞：模擬訓(xùn)練；超短波電臺；STM32；MAX7349
中圖分類號：TP368文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.029
引用格式：張磊，盧華平，王方超.基于STM32的超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（10）：99-101,105.
0引言
軍用超短波電臺是船艇近距離通信的主要裝備，是船艇通信人員必須熟練操作的裝備。由于按軍標(biāo)生產(chǎn)配備的超短波電臺成本較高，很難實(shí)現(xiàn)按訓(xùn)練人數(shù)配備電臺，在數(shù)量有限的情況下，學(xué)員培訓(xùn)過程中的頻繁操作易造成設(shè)備的損壞，且多臺設(shè)備使用中的電磁輻射及干擾問題不容忽視。為解決實(shí)裝在教學(xué)實(shí)踐中的局限性，基于模擬技術(shù)的超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在教學(xué)訓(xùn)練中被廣泛使用。
文獻(xiàn)［1］、［2］均采用計算機(jī)編程和計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。文獻(xiàn)［3］采用半實(shí)物仿真技術(shù)，利用有線局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了某短波電臺的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。文獻(xiàn)［4］、［5］基于無線傳輸方式分別仿真了某型號電臺、超短波電臺的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。文獻(xiàn)［6］利用Flash CS、Flash 媒體服務(wù)器（Flash Media Server, FMS）研制開發(fā)了船舶甚高頻電臺模擬器。
本文針對某型號船用超短波電臺，基于STM32和MAX7349實(shí)現(xiàn)電臺人機(jī)交互界面的實(shí)物仿真，考慮到實(shí)裝更新?lián)Q代速度較快的情況，電路設(shè)計預(yù)留多種按鍵及LED的配置方式，可適應(yīng)多種超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的需求。通信模擬基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了超短波通信環(huán)境的模擬、通信業(yè)務(wù)模擬、復(fù)雜電磁環(huán)境模擬，同時可進(jìn)行訓(xùn)練情景設(shè)計、訓(xùn)練過程監(jiān)控和訓(xùn)練效果評估。
1系統(tǒng)總體設(shè)計
模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由硬件模擬器、學(xué)員計算機(jī)、監(jiān)控計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施組成，如圖1所示。
其中硬件模擬器采用與超短波電臺一樣的外觀和人機(jī)交互界面，以STM32F407為核心器件，包括USB轉(zhuǎn)串口模塊、音頻輸入輸出模塊、顯示模塊和鍵盤旋鈕LED模塊，其中USB轉(zhuǎn)串口模塊實(shí)現(xiàn)與學(xué)員計算機(jī)間的操作狀態(tài)和通信內(nèi)容的交互。
學(xué)員計算機(jī)通過USB 線連接硬件模擬器，通過網(wǎng)線接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各模擬器間的通信模擬以及與監(jiān)控計算之間的協(xié)作。
監(jiān)控計算機(jī)通過網(wǎng)線接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對所有學(xué)員計算機(jī)及硬件模擬器的監(jiān)控。
2硬件模擬器電路設(shè)計
2.1STM32F407介紹
STM32系列微處理器基于ARM CortexM內(nèi)核，專為滿足高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制［7］、數(shù)據(jù)采集［8］、網(wǎng)絡(luò)通信［9］等領(lǐng)域。本系統(tǒng)硬件模擬器微處理器選用STM32F407，基于32位ARM CortexM4內(nèi)核，主頻可達(dá)168 MHz，擁有192 KB SRAM、1 024 KB Flash、2個全雙工SPI、3個I2C、6個串口、一個FSMC接口且最多支持112個通用I/O口。
2.2USB轉(zhuǎn)串口模塊電路設(shè)計
微處理器與學(xué)員計算機(jī)的接口采用串口通信方式，考慮當(dāng)前主流計算機(jī)很少支持串口，采用USB轉(zhuǎn)串口的方式，選用南京沁恒的CH340G芯片，電路如圖2所示。微處理器的USRAT1的串行數(shù)據(jù)的發(fā)端、收端分別與CH340G的串行數(shù)據(jù)的收端、發(fā)端相連，CH340G的USB數(shù)據(jù)D+、D-通過USB口可與計算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)微處理器與學(xué)員計算機(jī)之間通過USB連接的串口通信。圖中Q1、Q2構(gòu)成該硬件模擬器的串口下載電路，可通過串口實(shí)現(xiàn)軟件代碼的一鍵下載。
2.3音頻輸入輸出模塊
音頻輸入輸出模塊選用歐勝的WM8978作為音頻處理芯片，選用TI公司的LM4990作為喇叭驅(qū)動芯片。WM8978具有較好的數(shù)字信號處理能力，集成了對麥克風(fēng)的支持，通過I2S與微處理器進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)傳輸，通過I2C接口實(shí)現(xiàn)芯片的配置。LM4990為2 W輸出音頻功率的放大芯片，需要較少的外部元件，無需外接輸出耦合電容和自舉電容，且內(nèi)置待機(jī)電路，可以關(guān)閉功放使其工作于較低的功耗狀態(tài)。
2.4顯示模塊
顯示屏選用128×128點(diǎn)陣液晶顯示模塊，模塊控制芯片為T6963C，與微處理器的FSMC總線相連。由于FSMC總線電壓標(biāo)準(zhǔn)為+3.3 V，而顯示模塊的電壓標(biāo)準(zhǔn)為+5.0 V，F(xiàn)SMC總線與顯示模塊總線間需要電壓轉(zhuǎn)換芯片，選用TI公司的SN74LVC4245芯片實(shí)現(xiàn)總線的電壓轉(zhuǎn)換，SN74LVC4245支持8路雙向電壓轉(zhuǎn)換。
2.5鍵盤、旋鈕及LED
本超短波電臺有1個PTT鍵、3個旋鈕、22個按鍵和4個LED燈。1個PTT鍵位于話筒上，連接至微處理器的GPIO口；3個旋鈕分別為音量、靜噪和對比度旋鈕，硬件模擬器電路設(shè)計中音量旋鈕接入音頻輸出電路，對比度旋鈕直接連接顯示模塊的對比度調(diào)節(jié)引腳，靜噪旋鈕連接微處理器可配置為AD輸入的GPIO口，經(jīng)數(shù)字化后通過微處理器實(shí)現(xiàn)音頻的靜噪處理。
按鍵和LED燈選用MAXIM公司的MAX7349芯片，該芯片可支持最多64個按鍵，支持按鍵音，可最多配置7路GPIO輸出，此時可支持16個按鍵。通過引出MAX7349的引腳，可以支持不同的按鍵和LED燈配置。本模擬器按鍵和LED燈電路設(shè)計如圖3所示，配置為22個按鍵和4個LED等，接口尚有富余。
2.6電源模塊
硬件模擬器電源輸入選用+12 V直流電源，選用TI公司的TL78005芯片將+12 V轉(zhuǎn)變?yōu)?5 V，該芯片最大可支持1.5 A輸出，+3.3 V電源采用TI公司的TLV111733芯片。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
3.1硬件模擬器軟件設(shè)計
硬件模擬器軟件流程如圖4所示，其中按鍵信息由MAX7349觸發(fā)的中斷處理程序提供，中斷處理程序中讀取按鍵值并設(shè)置相應(yīng)的按鍵信息參數(shù)；語音發(fā)送狀態(tài)由PTT中斷處理程序提供，其中斷處理流程如圖5所示；語音收信狀態(tài)由串口中斷提供，串口中斷程序根據(jù)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)。
硬件模擬器開機(jī)后，首先分別初始化STM32F407各模塊、MAX7349和WM8978；然后判斷學(xué)員計算機(jī)與硬件模擬器的串口是否有效連接，如果學(xué)員計算機(jī)未連接，則硬件模擬器只提供操作模擬，不提供通信模擬功能；檢測串口連接后，程序進(jìn)入循壞操作，在循壞里依次檢測是否發(fā)信、是否有按鍵、是否收信并進(jìn)行相應(yīng)處理。
3.2學(xué)員計算機(jī)軟件設(shè)計
學(xué)員計算機(jī)軟件啟動后，自動檢測USB串口并與硬件模擬器建立連接，然后同時檢測串口數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，一方面接收來自硬件模擬器串口的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)要求廣播至網(wǎng)絡(luò)；一方面接收網(wǎng)路數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)要求通過串口發(fā)送至硬件模擬器。
3.3監(jiān)控計算機(jī)軟件設(shè)計
監(jiān)控計算機(jī)軟件一方面接收來自學(xué)員計算機(jī)發(fā)送的網(wǎng)路數(shù)據(jù)，更新各學(xué)員的狀態(tài)信息，并對訓(xùn)練效果進(jìn)行評估；另一方面可以設(shè)置訓(xùn)練情景設(shè)計，通過網(wǎng)路向?qū)W員及
發(fā)送相關(guān)指令。
4結(jié)論
本文設(shè)計實(shí)現(xiàn)了一種基于STM32F407和MAX7349的超短波電臺模擬訓(xùn)練系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用與實(shí)裝相同的人機(jī)交互界面，基于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)模擬超短波電臺通信，利用計算機(jī)模擬技術(shù)提供通信場景模擬，能夠提供與實(shí)裝訓(xùn)練無差別的操作體驗(yàn)，且能夠靈活設(shè)置場景、下達(dá)訓(xùn)練任務(wù)、監(jiān)控訓(xùn)練過程及評估訓(xùn)練效果。系統(tǒng)采用MAX7349掃描按鍵并驅(qū)動LED，能夠靈活調(diào)整按鍵和LED等的設(shè)置，能夠適用于其他型號超短波電臺的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計，具有較好的通用性。
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