基于单片机的家用对讲机设计

山西农业大学信息学院
本科毕业论文（设计）基于单片机的家用对讲机设计
系部名称：XXX XXX
专业名称：XXX XXX
学生姓名：X X X
学号：X X X
指导教师：X X X
二○一五年六月
郑重申明
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摘要
本文在深入的分析了短距离无线网络技术的有关标准以及语音处理技术的基础之上，开发出一种基于ZisBee网络技术与单片机开发平台的对讲机系统的终端设计方案。

本次方案的研究侧重于信号语音的处理、具有实现简单，成本比较低等特点，适合在家庭里面使用。

为了验证各个模块的正确性，本文还提出了各个系统模块的测试方案与测试结果，显示各个模块满足有关的标准，达到了设计的目的。

本文主要分为五个章，首先，首先介绍了无线对讲机的系统的概述以及本次设计的无线对讲机有关语音处理的主要技术，在本文的第三种内容中会对该系统的硬件以及软件系统进行详细的介绍，同时对于操作系统的开发工具给以大体上的介绍。

再次对于语音处理模块的流程，尤其是ADPCM 语音编解码算法、VAD 原理，和过采样内插算法，而且对于其进行了实现以及仿真。

最后对于本文中所涉及到的模块给以分别测试，测试的结果显示各个模块工作是正常的，功能上面可以达到设计的目标。

本文主要研究了对于无线对讲机语音处理模块与其含有的关键技术进行设计与实现的方法，其具有非常强的实际意义与工程研究价值，同时也是对于无线信道非常窄的条件下面传输的数字音频提供了借鉴的模板。

针对于无线对讲机含有的几个关键模块进行研究与设计，同时设计的这些模块具有可移植性，所以可以非常方便的移植到其他的嵌入式开发的环境里面，这些也是具有一定的借鉴意义。

关键词：对讲机技术；集群调度；ZisBee网络技术；单片机
Abstract
Based on the in-depth analysis of the basis of short distance wireless network technology related standards and voice processing technology, the development of a ZisBee network technology and MCU development platform of intercom system terminal design based on. This study focuses on the speech signal processing, which is the realization of a simple, cost low characteristic, suitable for use in the family. To the correctness verification of each module is proposed in this paper, the each module of the system test plan and test results, display modules to meet the relevant standards, to achieve the purpose of design.
This paper is divided into five chapters. Firstly, introduces the overview of wireless intercom system and the design of the wireless walkie talkie on speech processing technology, in the third kind of content will detailed introduction of the system hardware and software system, and operating system development tools give for the general introduction. Again for voice processing module processes, especially ADPCM speech codec algorithm and the principle of VaD, and oversampling interpolating algorithm, but also for its realization and simulation. Finally for the modules involved in this paper to give were tested. Test results show that each module is normal, the function can meet the design goals.
In this paper, we mainly study the for the wireless interphone voice processing module and contains the key technology for the design and implementation of the method, which has a very strong practical significance and research value, but also for the wireless channel is very narrow under the condition of transmission of digital audio provided the reference template. In view of several key modules in the wireless walkie talkie containing of research and design, at the same time, the design of these modules has portability, so it can be very convenient transplanted to other embedded development environment inside, these are also has certain reference significance. Keywords: walkie talkie technology cluster scheduling ZisBee network technology of single chip microcomputer.
目录
1.引言 (1)
1.1研究的背景与意义 (1)
1.3论文研究的主要内容与文章的结构 (2)
2.基本构成与原理 (3)
2.1模拟对讲机的系统结构 (3)
2.3基于ZigBee技术的无线对讲机 (5)
3.无线对讲机软硬件平台介绍 (6)
3.1 硬件平台介绍 (6)
3.2封装形式 (6)
3.2软件平台的介绍 (7)
3.2.1嵌入式的操作系统µC/OS-II (7)
3.2.2Code Warrior集成开发的环境 (9)
4.无线对讲机语音处理模块设计与仿真 (10)
4.1对讲机语音处理的流程 (10)
4.2语音活动检测V AD (11)
4.2.1V AD 原理 (11)
4.3ADPCM 语音编解码器 (11)
4.3.1ADPCM 编码 (12)
4.3.2ADPCM 解码 (12)
5.无线对讲机关键模块的设计与实现 (13)
5.1CPT模块设计与实现 (13)
5.1.1CPT信号发生器的有关算法 (13)
5.1.2CPT发生器的设计 (14)
5.1.3静态参数初始化 (14)
5.1.4CPT模块的实现 (15)
5.2脉冲宽度调制的PWM (16)
5.2.1PWM的原理 (16)
5.2.2PWM调制器 (17)
5.2.3PWM模块的实现 (18)
6.结论与展望 (20)
6.1总结 (20)
6.2展望 (20)
参考文献 (22)
1.引言
1.1研究的背景与意义
随着我国经济的快速发展，对讲机在社会的各个行业里面都是具有很大的应用，尤其是在石油化工、民用建筑都是有使用对讲机来通行。

对讲机通信技术具有其独有的优势，很多的都是应用于集群调度、应急通信以及及时通信等领域，实际上面社会的各个行业的对讲机已经成为重要的无线通信设备，同时在国民经济与人们的生活里面发挥了巨大的作用。

相比于手机通信来说，其具有的特点就是价格便宜，同时通话基本没有任何的费用问题，可以非常容易的对于点对点以及一点对多点的通信进行实现，一般的情况下，利用对讲机进行通信，其可以达到3公里或者是更远的距离。

伴随着家庭自驾游、徒步登山以及野外露营活动受到更多的人的喜欢，在这些场合中，家用对讲机便发挥了积极的作用。

最近几年我国的对讲机产业受到技术发展的带动得到了飞速的发展，对讲机的市场也是得到了快速的发展，很多的大型通信设备生产企业都积极的开发国内市场，同时取得了不错的市场占有率。

我国国内对于对讲机行业的重复建设现象非常的突出，大量的设备制造商都是仿制一些热点的对讲机，产品的结构过剩的现象还是比较严重。

在目前的情况下，还是没有掌握核心的技术，不能满足我国专业的无线通信发展的需要，作为一个世界性的通信大国，随着我国国民经济的发展，对讲机的市场发展还是具有非常大的潜力，未来我国的对讲机产业还是具有非常广阔的空间与美好的前景。

语音压缩编码是语音数字信号处理技术里面的关键所在，其就是将模拟语音信号化作数字信号进行有关的处理，语音压缩编码可以减小语音信号储存的空间与传输的带宽要求。

语音压缩码的目的就是要在比特率比较低的条件下面获得高品质的语音质量，在中低速的语音压缩码里面、声码器得到了广泛的应用，也就是在传输带宽比较高的光纤通信与微波通信等领域还是可以使用语音压缩码节省传输的带宽。

在1937年的A.H.Reeves首先提出了脉冲编码调制的技术，在最近30年李语音编码技术随着计算机与微电子技术的发展，也是取得了比较显著的效果。

目前语音编码技术主要从三个方面发展|：那就是比较简单、失真小；不过就是音质比较差，智能达到合成语音质量的参数编码。

波形编码的原则就是通过将时域信号经过抽样与量化的方面变成数字信号，之后保持重建语音信号的波形与原始的语音波形是一直的，其基本原理就是在时域里面对于模拟的语音依据一定的抽样速率进行抽样，之后将抽样的样点进行量化，用数字来代替。

参数编码就是根据人的发声过程提出有关的参数，依据参数进行量化的编码，使得合成语音具有很强的可懂性，不得改变原始语音的语义，不过合成语音音质会比较差，很是容易受到噪声的干扰。

在1990年提出的G.726标准里面将64kbps的非线性PCM信号转换为40kbps、32kbps、24kbps 和 16kbps 的 ADPCM 信号的一系列规范。

G.726标准能够借助较低的比特率达到较好的语音质量。

之后，ITU-T 在1992年的时候公布了G.728标准，其就是一种64kbps的低延迟码激励线性的预测编码方式。

G.728编码方式延迟比较小，同时速率比较低，海事卫星通信以及数字插空设备等领域具有非常广泛的应用。

在1995年的时候，ITU-T 海事通过了G.729标准，其就是一种8kbps的共轭带数码激励的线性预测编码的方式。

G.729 编码方式延迟更小，G.729编码方式延迟更加的小，其既可以节省87.5%的带宽，这样的编码方式的语音质量以及32kbps的ADPCM编码里面，所以其是同档次码速率里面最为优秀的一种编码的方式，在个人的移动通信以及分组领域得到了非常广泛的应用。

1.3论文研究的主要内容与文章的结构
本次课题就是基于ZisBee技术的无线音频对讲机系统，在该系统中，其包含的硬件平台采用的为单片机开发的，系统最后对于对讲机的通话功能进行实现。

本文在这个项目里面主要就是对于无线对讲机系统中含有的语音处理模块以及一些有关的模块设计进行设计和管理，主要完成的工作如下：
其一就是G.726编码器具有的算法仿真。

其二就是对于语音活动检测的VAD仿真
其三就是对于过采样模块的设计。

其四就是对于过样代码的汇编优化。

其五就是针对于PWM模块的驱动编写。

其六就是对于CPT模块的设计。

其七就是对于过样模块的优化效率测试。

其八就是对于语音处理模块的功能验证
下面是论文的结构的具体设计，首先对于无线对讲机的系统概述进行介绍，以及本次设计的无线对讲机有关语音处理的主要技术，在本文的第三章对于本系统包含的硬件平台和软件平台给以了详细的介绍，同时对于操作系统所具有的开发工具进行一系列介绍。

再次对于语音处理这一模块的流程，尤其是VAD原理，和过采样内插算法以及ADPCM 语音编解码算法，并且针对其进行实现和仿真。

最后我们测试了本文中介绍的模块，测试的结果显示各个模块工作是正常的，功能上面可以达到设计的目标。

2.基本构成与原理
本节主要对于无线对讲机的有关理论，介绍了无线对讲机的系统结构，具体的介绍了模拟对讲机与数字对讲机系统的结构。

在介绍ZisBee网络特点的基础之上，介绍了本设计无线对讲机系统的主要功能。

2.1模拟对讲机的系统结构
模拟对讲机的价格非常的低廉，技术也是非常的成熟，模拟对讲机系统的结构主要由下面几个部分组成：那就是控制电路，收发系统电路以及电源等其他的
电路部分组成，模拟对讲机系统的结构如图2.1所示。

图2.1模拟对讲机的结构
对于对讲机的具体工作方式进展模拟：一开始需要在信号发射源部分以及发射电路中进行发射射频信号的产生，接着便是利用功率方法电路给以放大，再接着便是借助低通滤波器对于载波信号中存在的谐波部分进行滤除，最后便是对于那些经过处理的信号借助于无线天线来进行发送。

下面是其接收部分的处理的具体过程：先要对于天线所受到的载波信号给以射频放大，其生成顺序是第一中频信号，第二中频信号，接着便是滤除第二中频信号中存在的干扰信号，最后就是利用电路的放大来恢复语言信号。

不过其存在的缺点就是频带使用率比较低，通话语音质量低以及保密性差，通话距离比较短等。

2.2数字对讲机系统的结构
数字对讲机首先就是将语音信号转化为数字信号，之后再将其编码进行传输，数字对讲机系统的主要结构由下面的几个部分组成：收发处理模块、主处理器以及语音处理器、电源灯组成，数字对讲机系统的结构如图2.2所示。

图2.2数字对讲机的系统结构
数字对讲机的具体工作方式如下：模拟语音信号经过A/D转换编程数字信号，同时将信号编码以后，编程方便传输的低速率语音信号。

再将语音数字信号通过功率放大以后发送出去，之后再接收到数据信号以后，信号经过功率放大、数字变频、滤波等处理以后送给语音处理模块进行编码，最后就是通过扬声器将模拟信号转化为声音输出。

数字对讲机具有下面的几个优点：其一就是频谱利用率比较高，其二就是通过质量高，其三就是保密性显著的提高。

2.3基于ZigBee技术的无线对讲机
ZigBee是一种新型的无线网络技术，其具有较低的速率，较短的距离，该技术在距离较近的无线通信中应用非常广泛，ZigBee相对于其他的短距离无线通信标准来看，是同样适用的，只不过是其选择的是跳频技术，2.4 GHz ISM 频段。

不过ZigBee在技术上更为简单，具有更慢的速率，且在费用以及功率从上来说，其是比较低的。

通常，其速率是 250 kbps，若对传输速率进行降低，那么我们便能够对其传输范围进行扩大，且同时进行更高的可靠性的获得。

IEEE802.15.4，是ZigBee适用的技术标准，该标准是由IEEE 无线个人区域网络工作组进行制定的。

就设备联网功能来看，其是非常强大的，其主要对簇
状结构、星形结构以及网状结构这三种网络结构进行支持。

ZigBee 无线对讲机的功能本系统采用的为ZigBee 技术用于无线传输，同时在Freescale 的 MCF5213 处理器平台上实现。

结合项目合作方的要求，该系统主要完成的功能如下：
其一支持半双工模式通话。

其二、呼叫/挂断。

其三、音量调节。

其四、组合键控制。

其五、其他功能扩展。

3.无线对讲机软硬件平台介绍
3.1 硬件平台介绍
AT89C51是一种带4K字节的FLASH存储器的低电压以及高性能的
CMOS 8位微处理器，通俗的说就是单片机。

AT89C2051是一个带2k字节闪存的可编程与可擦除只读存储器的单片机，其具有的可擦除只读存储器可以反复的擦除1000次以上。

该器件采用的为ATMEL高密度非易失储存器制造的技术，与工业标准的MCS-51指令集与输出管脚是相兼容的，因为将多功能的8位CPU 与闪速储存器组合在单个芯片里面，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。

AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

3.2封装形式
图3.1单片机DIP封装图
图 3.1系列单片机DIP封装图给出了双列直插式封装(DIP. Dualln-line Package), DIP封装与MCS--51系列单片机的引脚完全兼容,可互换使用。

CMOS I 艺制造的低功耗芯片也采用塑封方型扁平式封装(PQFP, Plastic Quad Flat Package)和塑封有引线芯片载体封簇(PLCC, Plastic Leaded Chip Carrier)形式.这两种封装采用“个引脚,其中4个引脚不用,其引脚排列如图3.2系列单片帆PQFP和PLCC封装图。

图3.2单片机PQFP和PLCC封装图
3.2软件平台的介绍
3.2.1嵌入式的操作系统µC/OS-II
本次设计是基于AT89C51平台，使用的为操作系统的µC/OS-II 嵌入式操作系统，µC/OS-II其是一个完成的，可以移植、固化与裁剪的占先式实时多任务
的内核，其大部分的代码采用的为 ANSI的 C 语言编写的，只是具有一小部分的代码利用汇编语言编写的，因此µC/OS-II可以提供不同的架构进行微处理器来使用。

发展到今天，从8位到了64位，µC/OS-II已经超过了40种各不相同的架构微处理器得到了应用，µC/OS-II具有的一下的优点：
首先就是具有较高的可移植性：µC/OS-II中一多半的代码的编写都是以有着强移植性的C语言来进行的，只是有一小部分代码使用的汇编语言来编写的，所以µC/OS-II可以非常方便的向其他处理器上面进行移植的。

其二就是可固化，µC/OS-II的设计主要是为了适用嵌入式的应用，所以µC/OS-II可以非常方便的嵌入到其他的产品里面当做是产品的某一部分。

其三就是可剪裁性是非常好的，可剪裁性的实现是借助编译来完成的，只是在应用的具体程序里面定义一些µC/OS-II功能，这样就会大大的减少µC/OS-II 所占用的存储器的空间。

其四，多任务，µC/OS-II最多可以对64个任务进行管理，去除保留的8个给µC/OS-II自身，应用程序留给客户的，在最多的时候可以达到56个。

其五就是任务栈，µC/OS-II对于所有任务具有不同的栈空间，借助这些降低应用程序对于RAM的要求是允许的。

其六就是中断管理，µC/OS-II的中断管理可以使得正在执行的任务暂时的挂起，如果这个中断的有唤醒优先级更高的任务，其就是将在中断嵌套全部的推出后立即的开始执行。

最后就是稳定性与可靠性，µC/OS-II嵌入式的操作系统具有非常良好的稳定性与可靠性。

图3.3 µC/OS-II 的体系结构图
3.2.2Code Warrior集成开发的环境
本次设计的软件里面，开发调试工作主要建立在Free scale公司集成的开发环境Code Warrior 上面，Code Warrior集成了源程序浏览器、源程序编译器以及调试跟踪器，用户通过图形用户接口可以非常方便使用这个系统进行程序的浏览、编辑以及修改、调试。

这样的IDE具有下面的几个特点：
其一就是多系统平台的支持，Code Warrior 是可以再Windows等多种系统的平台下面运行的。

其二就是多语言的支持，支持汇编，具有C，C++和 Java 等常用语言。

其三就是良好的平台支持，提供的为对于Free scale8位以及32位的多个系列的处理器与开发板的支持。

其四就是高效的编译系统，支持用户自定义的段，加强储存的空间控制，可以生成ELF/S/DWARF等多种文件的格式，同时支持程序的重定位。

其五就是特色化的跟踪器，支持的为源程序调试、目标代码调试以及源程序/目标代码混合调试等，同时还支持串口与并口的多种调试方式，其工作的界面如图3.4所示。

图3.4集成开发环境 Code Warrior 界面
4.无线对讲机语音处理模块设计与仿真
4.1对讲机语音处理的流程
在对讲机语音设计的里面，及时需要尽量的节省带宽，同时还是需要保证语音的质量，为此本文在设计的时候，采用的为语音活动检测VAD、ADPCM语音编介码，采样等语音处理技术，来达到设计的需要。

语音处理的具体流程为发送端从A/D采样的获取数字语音，经过VAD判决，判断其是否是语音信号，如果是就是通过ADPCM 编码；否则就是进一步的做出DTX 判决。

非语音的信号通过DTX 判决以后，信号需要被传输，就让其经过CNG 编码；否则，直接丢弃该采样。

在接收端，还是需要判断接收到的信号是否是语音信号，如果是就是通过ADPCM 解码；否则，通过 CNG 解码。

4.2语音活动检测VAD
在语音编码器里面使用VAD检测，是为了判决传输信号是否是语音信号。

如果判决的是语音信号，俺么送至到PCM编码器对于语音进行编码。

如果判决不是语音信号，就会通过DTX进一步的判决，如果是通过传输SID帧，那么就会提取有关的参数打包成CNG帧传送，如果是不需要传输，就什么都不传输。

4.2.1V AD 原理
基于帧VAD的原理框图如图4.2所示。

预处理特征提取判决
VAD判决纠正输出
图4.2VAD的原理框图
输入信号首先经过预处理，一方面送到特征提出模块提出特征的参数，例如有短时能量、过零率以及LPC参数等。

另一个方面进行门限的判决，经过VAD 判决以后在经过VAD的纠正，在通过一系列的处理判决输入信号帧是有话还是无话的。

一般情况下VAD判决的纠正措施采用的就是拖尾延迟保护的方案，也就是如果VAD判决话帧的N帧还是判决为有话，为此减少清音判决为噪声的情况，N 的取值一般为3~10。

之后在经过拖尾延迟保护、舒适噪声产生等步骤完成有关的工作。

4.3ADPCM 语音编解码器
在1990年，国际电信联盟将G.726标准提出，这个标准将64kbps 的非线性 PCM 信号向24kbps、40kbps、16kbps以及32kbps的ADPCM 信号的一系列规则进行转变。

简单、低延迟的G.726 标准算法，可以使得其能够通过较低的比特率来使得网络等级的语音质量得以达到，此外，在多次转变之后，其仍旧可以
进行语音质量的保证。

4.3.1ADPCM 编码
自适应技术对于压缩非平稳随机过程的语音信号非常有效，ADPCM编码器就是通过传输量化以后的预测差值来达到压缩的目的，译码器以及解码其都是含有向自适应的预测器以及后向的自适应量化器。

ADPCM编码器的基本压缩的原理就是因为相邻的采样点之间具有非常强的关联性，通过相邻的样点具有的差值可以消除掉这样的关联性，最后得到高阶的熵，
所以在保证具有一定的信噪比的条件下面，可以适当的减小量化器的长度。

如果采样的速率为8KHz的时候，ADPCM编码的信号同64Kbps的非线性PCM信号相比，其含有的编码速率是减小了，也就是压缩了有关的比特率。

如果是针对于一个量化的电平采用不同的字长进行量化的时候，那么量化器含有的字长是越短的化那么其可以产生的量化误差就会越大，通过这样的码字恢复的语音信号具有的质量也就会越差。

ADPCM编码器的基本工作原理就是首先对于输入的非线性的PCM信号进行格式化的转换，使其变成线性的PCM信号，之后再将线性的PCM信号与自适应预测期输出的有关估计信号相减得到两者之间具有的差值信号，最后在对于差值信号进行量化的编码以后就会得到有关的ADPCM码流，其具有的速率是通过量化器含有的字长来决定的。

如果对于采样的速率选择的为8kHz，那么量化器的字长就是分别为5位、4位以及3位、2位，最后得到ADPCM编码的速率分别为40kbps、32kbps、24kbps、16kbps。

4.3.2ADPCM 解码
在ADPCM 编码中，ADPCM 解码是其逆过程，将信号码输入后，当其流经反向自适应量化之后，会后差值信号的生成，对其和估计信号进行合成，便能够进行线性PCM信号的获得，接着我们在利用格式转换来进行非线性PCM 信号输出。

5.无线对讲机关键模块的设计与实现
本节里面主要介绍了无线对讲机关键模块的设计与实现，主要含有的为CPT 模块的设计与实现和 PWM 原理分析与驱动编写。

CPT 模块的设计主要为了体现客户呼叫进程与连接设备的相关状态信息，PWM 将实现本系统的 D/A 功能。

5.1CPT 模块设计与实现
CPT 信号指的就是呼叫进程音，其指的就是提供给客户呼叫进程、运营商以及连接设备有关状态的信息，在与电路有关的信号里面，这些进程音的传输频带与声音的频率范围是一样的。

最为常见的四个呼叫进程声含有的为：拨号音，回铃音、忙音以及拥堵音。

5.1.1CPT 信号发生器的有关算法
CPT 信号的发生算法关键就是构建正弦的波，为了产生这样的一个正弦波，我们可以引入一个系统的函数。

我们假设传输函数H(z)没有零点，只有一对处在单位圆上面的共轭极点，就是这个系统函数单位冲击响应为恒幅度的振幅，也就是产生了正弦的信号。

公式里面，0
0sin A b ，102cos a ，21a ，在其极点的单位圆上面
的 01,2j p e 单位的冲击响应为：
Y(n)=-a1y(n-1)-a2y(n-2)+b0(n)
这个里面的初始值为y(-1)与y(-2)都是0，如果将原始的输入值去掉，而01212(z)1H b a a z z。