《电子技术应用》

基于STM32的超短波电台模拟训练系统设计

2017年微型机与应用第10期 作者:张磊,卢华平,王方超
2017/8/7 23:44:22

  张磊,卢华平,王方超

  (镇江船艇学院 船艇指挥系,江苏 镇江 212003)

  摘要:针对超短波电台训练中实装训练存在装备数量有限、设备损耗大、现有纯软件模拟训练系统操作体验与实装差距大的问题,提出一种基于STM32MAX7349的超短波电台模拟训练系统。系统以STM32为微处理器实现对按键、LED、显示屏和音频接口等的控制,提供与实装电台相同的人机交互界面,通过串口与计算机实现数据交互,借助计算机网络完成电台通信的模拟和训练的监控,可为待训人员提供与真实设备没有差距的操作体验,便于掌握每一个人在训练过程中的基本情况,便于大规模集中训练,同时可以降低成本、避免电磁辐射与干扰。

  关键词:模拟训练;超短波电台;STM32;MAX7349

  中图分类号:TP368文献标识码:ADOI: 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.10.029

  引用格式:张磊,卢华平,王方超.基于STM32的超短波电台模拟训练系统设计[J].微型机与应用,2017,36(10):99-101,105.

0引言

  军用超短波电台是船艇近距离通信的主要装备,是船艇通信人员必须熟练操作的装备。由于按军标生产配备的超短波电台成本较高,很难实现按训练人数配备电台,在数量有限的情况下,学员培训过程中的频繁操作易造成设备的损坏,且多台设备使用中的电磁辐射及干扰问题不容忽视。为解决实装在教学实践中的局限性,基于模拟技术的超短波电台模拟训练系统在教学训练中被广泛使用。

  文献[1]、[2]均采用计算机编程和计算机网络实现了电台模拟训练系统。文献[3]采用半实物仿真技术,利用有线局域网实现了某短波电台的模拟训练系统。文献[4]、[5]基于无线传输方式分别仿真了某型号电台、超短波电台的模拟训练系统。文献[6]利用Flash CS、Flash 媒体服务器(Flash Media Server, FMS)研制开发了船舶甚高频电台模拟器。

  本文针对某型号船用超短波电台,基于STM32和MAX7349实现电台人机交互界面的实物仿真,考虑到实装更新换代速度较快的情况,电路设计预留多种按键及LED的配置方式,可适应多种超短波电台模拟训练系统的需求。通信模拟基于计算机网络,实现了超短波通信环境的模拟、通信业务模拟、复杂电磁环境模拟,同时可进行训练情景设计、训练过程监控和训练效果评估。

1系统总体设计

  模拟训练系统主要由硬件模拟器、学员计算机、监控计算机和网络设施组成,如图1所示。

 

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  其中硬件模拟器采用与超短波电台一样的外观和人机交互界面,以STM32F407为核心器件,包括USB转串口模块、音频输入输出模块、显示模块和键盘旋钮LED模块,其中USB转串口模块实现与学员计算机间的操作状态和通信内容的交互。

  学员计算机通过USB 线连接硬件模拟器,通过网线接入网络,实现各模拟器间的通信模拟以及与监控计算之间的协作。

  监控计算机通过网线接入网络,实现对所有学员计算机及硬件模拟器的监控。

2硬件模拟器电路设计

  2.1STM32F407介绍

  STM32系列微处理器基于ARM CortexM内核,专为满足高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用,广泛应用于工业控制[7]、数据采集[8]、网络通信[9]等领域。本系统硬件模拟器微处理器选用STM32F407,基于32位ARM CortexM4内核,主频可达168 MHz,拥有192 KB SRAM、1 024 KB Flash、2个全双工SPI、3个I2C、6个串口、一个FSMC接口且最多支持112个通用I/O口。

  2.2USB转串口模块电路设计

  微处理器与学员计算机的接口采用串口通信方式,考虑当前主流计算机很少支持串口,采用USB转串口的方式,选用南京沁恒的CH340G芯片,电路如图2所示。微处理器的USRAT1的串行数据的发端、收端分别与CH340G的串行数据的收端、发端相连,CH340G的USB数据D+、D-通过USB口可与计算机连接,实现微处理器与学员计算机之间通过USB连接的串口通信。图中Q1、Q2构成该硬件模拟器的串口下载电路,可通过串口实现软件代码的一键下载。

 

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  2.3音频输入输出模块

  音频输入输出模块选用欧胜的WM8978作为音频处理芯片,选用TI公司的LM4990作为喇叭驱动芯片。WM8978具有较好的数字信号处理能力,集成了对麦克风的支持,通过I2S与微处理器进行音频数据传输,通过I2C接口实现芯片的配置。LM4990为2 W输出音频功率的放大芯片,需要较少的外部元件,无需外接输出耦合电容和自举电容,且内置待机电路,可以关闭功放使其工作于较低的功耗状态。

  2.4显示模块

  显示屏选用128×128点阵液晶显示模块,模块控制芯片为T6963C,与微处理器的FSMC总线相连。由于FSMC总线电压标准为+3.3 V,而显示模块的电压标准为+5.0 V,FSMC总线与显示模块总线间需要电压转换芯片,选用TI公司的SN74LVC4245芯片实现总线的电压转换,SN74LVC4245支持8路双向电压转换。

  2.5键盘、旋钮及LED

  本超短波电台有1个PTT键、3个旋钮、22个按键和4个LED灯。1个PTT键位于话筒上,连接至微处理器的GPIO口;3个旋钮分别为音量、静噪和对比度旋钮,硬件模拟器电路设计中音量旋钮接入音频输出电路,对比度旋钮直接连接显示模块的对比度调节引脚,静噪旋钮连接微处理器可配置为AD输入的GPIO口,经数字化后通过微处理器实现音频的静噪处理。

  按键和LED灯选用MAXIM公司的MAX7349芯片,该芯片可支持最多64个按键,支持按键音,可最多配置7路GPIO输出,此时可支持16个按键。通过引出MAX7349的引脚,可以支持不同的按键和LED灯配置。本模拟器按键和LED灯电路设计如图3所示,配置为22个按键和4个LED等,接口尚有富余。

 

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  2.6电源模块

  硬件模拟器电源输入选用+12 V直流电源,选用TI公司的TL78005芯片将+12 V转变为+5 V,该芯片最大可支持1.5 A输出,+3.3 V电源采用TI公司的TLV111733芯片。

3系统软件设计

  3.1硬件模拟器软件设计

  硬件模拟器软件流程如图4所示,其中按键信息由MAX7349触发的中断处理程序提供,中断处理程序中读取按键值并设置相应的按键信息参数;语音发送状态由PTT中断处理程序提供,其中断处理流程如图5所示;语音收信状态由串口中断提供,串口中断程序根据接收数据进行判断并设置相应参数。

 

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  硬件模拟器开机后,首先分别初始化STM32F407各模块、MAX7349和WM8978;然后判断学员计算机与硬件模拟器的串口是否有效连接,如果学员计算机未连接,则硬件模拟器只提供操作模拟,不提供通信模拟功能;检测串口连接后,程序进入循坏操作,在循坏里依次检测是否发信、是否有按键、是否收信并进行相应处理。

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  3.2学员计算机软件设计

  学员计算机软件启动后,自动检测USB串口并与硬件模拟器建立连接,然后同时检测串口数据与网络数据,一方面接收来自硬件模拟器串口的数据,根据数据要求广播至网络;一方面接收网路数据,根据数据要求通过串口发送至硬件模拟器。

  3.3监控计算机软件设计

  监控计算机软件一方面接收来自学员计算机发送的网路数据,更新各学员的状态信息,并对训练效果进行评估;另一方面可以设置训练情景设计,通过网路向学员及

  发送相关指令。

4结论

  本文设计实现了一种基于STM32F407和MAX7349的超短波电台模拟训练系统,该系统采用与实装相同的人机交互界面,基于计算机网络技术模拟超短波电台通信,利用计算机模拟技术提供通信场景模拟,能够提供与实装训练无差别的操作体验,且能够灵活设置场景、下达训练任务、监控训练过程及评估训练效果。系统采用MAX7349扫描按键并驱动LED,能够灵活调整按键和LED等的设置,能够适用于其他型号超短波电台的模拟训练系统设计,具有较好的通用性。

参考文献

  [1] 陈树新,温祥西,邓妍.基于网络环境的电台模拟训练系统设计与实现[J].科学技术与工程, 2008,8(15):4335-4338.

  [2] 禹华钢,周安栋,刘宏波.多线程语音通信在模拟电台通信中的应用[J].火力与指挥控制,2010,35(3):42-45.

  [3] 谢铁城,达新宇,刘芸江,等.某电台网络模拟训练系统的设计与实现[J].计算机测量与控制,2010,18(5):1151-1153.

  [4] 高晶,达新宇.基于无线传输的模拟电台训练系统设计[J].微计算机信息,2008,24(81):259-261.

  [5] 高振斌,王仁智,卢飞,等.基于无线通信技术的超短波电台训练模拟器[J].河北工业大学学报,2012,41(4):22-25.

  [6] 魏伟.船舶甚高频电台模拟器的研制与应用[J].中国航海,2010,33(1):1619.

  [7] 王海,张李超,周伟光. 基于STM32 与 PCAP01的激光切割头随动系统设计[J].电子技术应用,2016,42(6):52-55.

  [8] 王晨辉,吴悦,杨凯.基于STM32的多通道数据采集系统设计[J].电子技术应用,2016,42(1):51-53,57.

  [9] 孙晓晔,王程,成彬.基于TFTP协议实现STM32的IAP[J].微型机与应用,2016,35(7):76-78.


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