机载超短波电台模拟训练系统设计
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在实际电台中，频道的调整与切换通过调整振荡 电路的振荡频率来实现，频道的频率即为信号的载 频。而在模拟机中并不存在振荡电路，故无法自身产 生载频，并且该模拟系统的语音通信方式采用的是有 线通信，同时频道的切换还需要通过面板操作来实 现，也就是通过微处理器进行控制，因此在本电台模 拟系统中，将语音信号与频道信息分离开来通过串口 进行发送。当接收端接收到频道信息后，与自身的频 道信息进行比较，如果频道信息一致，二者之间可以 进行语音通信；否则，不能进行语音通信。这样，就解 决了频道切换功能的模拟实现问题。 1.3 人机交互
摘 要： 针对实物电台电路复杂、价格高、用于训练会提高成本的问题，研制了一种机载超短波电台模拟训练系统。该 系统采用 51 单片机作为核心控制芯片，通过控制芯片 MAX7219，实现实际电台的频率及工作状态显示、存贮、调用 及出错信息提示等功能，同时通过串口进行信息的发送。该电台模拟系统可以逼真地模拟电台的全部操作和显示功 能，可用于电台通信的操作训练、院校教学演示等，模拟系统工作稳定可靠，具有较高的实用价值。 关键词： 短波电台；模拟训练；有线通信；仿真技术 中图分类号： TP368.1 文献标识码： A 文章编号： 2095 － 0926（2012）02 － 0014 － 04
双方的通信协议如下：正常情况下，单片机的继 电器控制端输出低电平，此时有线通信模块的听筒功 能一直处于打开状态，话筒功能处于关闭状态，模拟 系统接通电源后，微处理器不断对实现语音通信的发 射按键进行扫描，如果发现一方的发射按键按下，则
·16·
天津职业技术师范大学学报
第 22 卷
首先发送一个屏蔽信号给对方电台，对方电台收到屏 蔽信号后，屏蔽自身的发射按键功能，并等待接收发 射方的频率信息，然后发射方再将自己此刻所处的频 率和结束信号通过信号线发送到对方电台，对方电台 在收到发射方的结束信号后将收到的频率与自己的 频率进行比较，如果双方的频率相等，则向发射方反 馈一个相等的信号，发射方在接到此信号后将单片机 控制的继电器引脚置为高电平（开关由A跳向B，由C跳 向D），此时，发射方打开话筒功能，语音信息通过信号 线传输到接收方，而接收方的听筒处于打开状态，接 收到的语音信息在经过二级放大后驱动喇叭，由此实 现二者间的语音通信。如果双方的频率不相等，则接 收方会反馈一个不相等的信号，发射方收到此信号后 会保持原来的听筒状态不变，同时以一定时间，间隔 地把自己的频率发给接收方，接收方可以在调节频率 后重新与此频率进行匹配。当发射方的按键松开时， 发射方会发送一个断开信号，同时将继电器引脚电平 置零（开关由B跳向A，由D跳向C），接收方在接收到断 开信号后，会解除自身的屏蔽状态，可以实现发射按 键的按下。通过以上的通信协议，双方之间实现了半 双工通信。
第2期
高振斌，等： 机载超短波电台模拟训练系统设计
· 15 ·
1.1 有线语音通信 按传输方式划分语音通信可分为有线语音通信
和无线语音通信两种，在实际使用中，电台采用的是 无线语音通信方式，通过将语音信号调制到较高的载 频上，实现语音信号的传输，在接收端通过解调将语 音信号从载频中提取出来。相对于无线语音通信，有 线 语 音 通 信 容 易 实 现 ，受 干 扰 小 ，可 靠 性 高 ，技 术 成 熟，因此本设计采用有线语音通信方式。 1.2 频道调整
作为虚拟现实的手段，模拟训练系统不仅要求外 观逼真，同时还必须体现现实装备的操作规程，给参 训人员提供别无二致的真实体验[4]。通过人机交互主 要完成电台参数的配置、正常信息和错误操作信息的 显示或提示、语音通信的实现等功能。针对上述的这 些功能，电台面板上设置了旋转编码器、按键、数码管 以及发光二极管。电台内部搭载了一个微处理器，通 过微处理器实现编码器以及按键的输入检测，对应的 输入通过数码管和指示灯显示出来。 1.4 整体设计方案
整个设计方案包括以下几个部分，即核心控制模 块、电压转换调理模块、数据存储模块、LED显示模块、 键盘输入模块、有线通信模块。设计框图如图1所示。
LED显示模块
整个设计的核心控制。显示模块包括6位七段数码管 和 14 个 LED 指 示 灯 。 驱 动 芯 片 采 用 MAX7219， MAX7219具有自动位扫描功能，能大大减轻单片机的 负担。AT24C02用来实现数据的存储和对单片机进行 初始化。按钮输入部分由4个旋转编码器和5个触控式 按钮组成。有线通信模块完成信号的传输、音频放大 等语音通信功能，还包括电压转化电源调理模块。
伴随着我军信息化训练条件建设的不断加快与 创新，传统的训练模式正向基地化、模拟化和网络化 方向发展。通信装备，特别是数字化新装备，由于部队 装备量大，使用人员多，电台操作训练与维修已成为 部队和院校关注的焦点之一[2]。目前，军队中装备和使 用的超短波电台电路复杂、成本高昂，在教学训练过 程中，如果使用实际设备将会影响周围的电磁环境， 特别是地空超短波电台的使用将直接影响航线上飞 机的通信与导航，对飞行造成安全隐患。不仅如此，错 误的操作还有可能造成通信设备的损害等 [3]，因此，在 教学实践中超短波电台很难得到大量配备。实验设备 配备不足已经成为制约训练效果的主要因素。为提高 我军的通信训练水平，减少对现有装备的磨损和充分 利用我军现有的计算机和网络资源，本研究开发了模
2 电台硬件构成
2.1 语音通信模块 该模块通过有线语音通信模拟了电台无线通信
功能，模块的电路图如图2所示。
VCC GND
AGY2329
Q1 R1
10 kBaidu Nhomakorabea LS1
C3
47 μF R5
Speaker
500 kΩ
P2.5 D C BA
K1
R3 10 kΩ
R4 Q2 10 kΩ R2 C1
1 kΩ 1 μF MIC
在本设计中，14个LED指示灯分别代表电台的“常 规、救生、语音、数传、密话、定向、调频、调幅、静噪、双 收、信道、频段、细节、发射”指示功能；6位七段数码管 用来实现模拟电台的频道和频率显示以及其他的操 作信息；键盘模块用来实现功能控制，通过单片机对 按键的扫描，实现对应按键按下时相应的功能； AT24C02芯片用来实现数据的存储和读取，打开电源 后，单片机通过读取AT24C02保存的数据对电台的参 数进行配置，并将相应的数据通过数码管显示出来， 在断开电源前，单片机将相应的电台参数写进 AT24C02中进行保存，以备下次开机使用。
C2 47 μF
SIGNAL GND
图 2 有线通信模块电路图
电压转换 电压调整
核心控制CPU AT98C51
有线通信 模块
AT24C02 芯片
键盘、按键 模块
图1 系统设计框图
核心控制模块采用AT89C51，该单片机用来实现
单片机的P2.5引脚连接在继电器的VCC端，继电 器的常闭端点连接通信模块的听筒，继电器的常开端 点连接通信模块的话筒，通过单片机对继电器的控 制，实现二者之间的半双工通信。
C3 27
GND
Abstract ： The physical radio has a complex circuits and is expensive ， and the costs will be increased greatly if it is used for training . This paper developed an airborne FM radio simulator which uses 51 microcontroller as the core control chip . The actual radio frequency and status display ， storage ， call and an error message are achieved by controlling the chip MAX7219 ， and it also sends information through the serial port . The station simulator can simulate the operation and display functions of the physical radio realistically . The system is mainly used in the operation of radio communication training and teaching in school . The simulator is stable and reliable ， which has a broad application prospects and a high practical value . Key words： short-wave radio； simulation training； wired communications； simulation technology
2.2 人机界面 人机界面包括信息输入模块和状态显示模块。其
中，信息输入模块由1个带开关的电位器、2个大开口 编码器、2个点开关的编码器和3个按键开关构成。该 模块中，各个按键和编码器的引脚接到单片机的引脚 上，通过对单片机引脚的查询，判断是否有按键按下， 从而实现相应的按键功能，通过按键改变的参数值写 入EEPROM（24C02）进行保存。状态显示模块由一片 MAX7219 和 6 位 七 段 数 码 管 以 及 14 个 LED 组 成 ， MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示 驱动器，它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显 示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其 上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路、段 字驱动器以及一个8*8的静态RAM，RAM用来存储每 一个数据。外部寄存器用来设置各个LED的段电流，通 过采用MAX7219芯片，可以节省单片机的IO口资源， 减小单片机本身的工作负担。在本设计中，LED发光二 极管的阴极接到MAX7219的位选信号线上，阳极连接 到 相 应 的 MAX7219 段 选 信 号 线 上 ， 这 样 就 能 实 现 MAX7219对6位七段数码管和14个LED发光二极管的 控制。该部分原理图如图3所示。
拟仿真电台训练系统[4]。该模拟系统不仅在按键和显 示等外形结构上与实际电台相似，而且实际操作过程 和通话等功能也做到了与真实电台保持一致。将该系 统用于训练中，不仅可以克服实物电台在训练中价格 高的缺点，减少实物电台的损坏，增加电台的配备数 量，而且还具有逼真的仿真效果，从而增加了操作人 员的训练时间，提高了操作人员的训练水平，为操作 人员正确、熟练地使用电台提供了良好的训练环境。
第 22 卷 第 2 期 2012 年 6 月
天津职业技术师范大学学报 JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION
Vol.22 No.2 Jun. 2012
机载超短波电台模拟训练系统设计
高振斌，陈洪波，卢 飞，王仁智
（河北工业大学信息工程学院，天津 300401）
1 设计方案
为了能使模拟电台实现实际电台的功能，该模拟 系统由以下几部分组成：有线语音通信部分、频道调 整部分、人机交互部分等。
收稿日期： 2012-04-24 作者简介： 高振斌（1973—），男，副教授，博士，研究方向为通信信号处理. 通讯作者： 陈洪波（1987—），男，硕士研究生，E-mail：walterhongbo@163.com.
Simulation training system design of Airborne FM radio
GAO Zhen-bin， CHEN Hong-bo， LU Fei， WANG Ren-zhi
（School of Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401 China）
摘 要： 针对实物电台电路复杂、价格高、用于训练会提高成本的问题，研制了一种机载超短波电台模拟训练系统。该 系统采用 51 单片机作为核心控制芯片，通过控制芯片 MAX7219，实现实际电台的频率及工作状态显示、存贮、调用 及出错信息提示等功能，同时通过串口进行信息的发送。该电台模拟系统可以逼真地模拟电台的全部操作和显示功 能，可用于电台通信的操作训练、院校教学演示等，模拟系统工作稳定可靠，具有较高的实用价值。 关键词： 短波电台；模拟训练；有线通信；仿真技术 中图分类号： TP368.1 文献标识码： A 文章编号： 2095 － 0926（2012）02 － 0014 － 04
双方的通信协议如下：正常情况下，单片机的继 电器控制端输出低电平，此时有线通信模块的听筒功 能一直处于打开状态，话筒功能处于关闭状态，模拟 系统接通电源后，微处理器不断对实现语音通信的发 射按键进行扫描，如果发现一方的发射按键按下，则
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天津职业技术师范大学学报
第 22 卷
首先发送一个屏蔽信号给对方电台，对方电台收到屏 蔽信号后，屏蔽自身的发射按键功能，并等待接收发 射方的频率信息，然后发射方再将自己此刻所处的频 率和结束信号通过信号线发送到对方电台，对方电台 在收到发射方的结束信号后将收到的频率与自己的 频率进行比较，如果双方的频率相等，则向发射方反 馈一个相等的信号，发射方在接到此信号后将单片机 控制的继电器引脚置为高电平（开关由A跳向B，由C跳 向D），此时，发射方打开话筒功能，语音信息通过信号 线传输到接收方，而接收方的听筒处于打开状态，接 收到的语音信息在经过二级放大后驱动喇叭，由此实 现二者间的语音通信。如果双方的频率不相等，则接 收方会反馈一个不相等的信号，发射方收到此信号后 会保持原来的听筒状态不变，同时以一定时间，间隔 地把自己的频率发给接收方，接收方可以在调节频率 后重新与此频率进行匹配。当发射方的按键松开时， 发射方会发送一个断开信号，同时将继电器引脚电平 置零（开关由B跳向A，由D跳向C），接收方在接收到断 开信号后，会解除自身的屏蔽状态，可以实现发射按 键的按下。通过以上的通信协议，双方之间实现了半 双工通信。
第2期
高振斌，等： 机载超短波电台模拟训练系统设计
· 15 ·
1.1 有线语音通信 按传输方式划分语音通信可分为有线语音通信
和无线语音通信两种，在实际使用中，电台采用的是 无线语音通信方式，通过将语音信号调制到较高的载 频上，实现语音信号的传输，在接收端通过解调将语 音信号从载频中提取出来。相对于无线语音通信，有 线 语 音 通 信 容 易 实 现 ，受 干 扰 小 ，可 靠 性 高 ，技 术 成 熟，因此本设计采用有线语音通信方式。 1.2 频道调整
作为虚拟现实的手段，模拟训练系统不仅要求外 观逼真，同时还必须体现现实装备的操作规程，给参 训人员提供别无二致的真实体验[4]。通过人机交互主 要完成电台参数的配置、正常信息和错误操作信息的 显示或提示、语音通信的实现等功能。针对上述的这 些功能，电台面板上设置了旋转编码器、按键、数码管 以及发光二极管。电台内部搭载了一个微处理器，通 过微处理器实现编码器以及按键的输入检测，对应的 输入通过数码管和指示灯显示出来。 1.4 整体设计方案
整个设计方案包括以下几个部分，即核心控制模 块、电压转换调理模块、数据存储模块、LED显示模块、 键盘输入模块、有线通信模块。设计框图如图1所示。
LED显示模块
整个设计的核心控制。显示模块包括6位七段数码管 和 14 个 LED 指 示 灯 。 驱 动 芯 片 采 用 MAX7219， MAX7219具有自动位扫描功能，能大大减轻单片机的 负担。AT24C02用来实现数据的存储和对单片机进行 初始化。按钮输入部分由4个旋转编码器和5个触控式 按钮组成。有线通信模块完成信号的传输、音频放大 等语音通信功能，还包括电压转化电源调理模块。
伴随着我军信息化训练条件建设的不断加快与 创新，传统的训练模式正向基地化、模拟化和网络化 方向发展。通信装备，特别是数字化新装备，由于部队 装备量大，使用人员多，电台操作训练与维修已成为 部队和院校关注的焦点之一[2]。目前，军队中装备和使 用的超短波电台电路复杂、成本高昂，在教学训练过 程中，如果使用实际设备将会影响周围的电磁环境， 特别是地空超短波电台的使用将直接影响航线上飞 机的通信与导航，对飞行造成安全隐患。不仅如此，错 误的操作还有可能造成通信设备的损害等 [3]，因此，在 教学实践中超短波电台很难得到大量配备。实验设备 配备不足已经成为制约训练效果的主要因素。为提高 我军的通信训练水平，减少对现有装备的磨损和充分 利用我军现有的计算机和网络资源，本研究开发了模
2 电台硬件构成
2.1 语音通信模块 该模块通过有线语音通信模拟了电台无线通信
功能，模块的电路图如图2所示。
VCC GND
AGY2329
Q1 R1
10 kBaidu Nhomakorabea LS1
C3
47 μF R5
Speaker
500 kΩ
P2.5 D C BA
K1
R3 10 kΩ
R4 Q2 10 kΩ R2 C1
1 kΩ 1 μF MIC
在本设计中，14个LED指示灯分别代表电台的“常 规、救生、语音、数传、密话、定向、调频、调幅、静噪、双 收、信道、频段、细节、发射”指示功能；6位七段数码管 用来实现模拟电台的频道和频率显示以及其他的操 作信息；键盘模块用来实现功能控制，通过单片机对 按键的扫描，实现对应按键按下时相应的功能； AT24C02芯片用来实现数据的存储和读取，打开电源 后，单片机通过读取AT24C02保存的数据对电台的参 数进行配置，并将相应的数据通过数码管显示出来， 在断开电源前，单片机将相应的电台参数写进 AT24C02中进行保存，以备下次开机使用。
C2 47 μF
SIGNAL GND
图 2 有线通信模块电路图
电压转换 电压调整
核心控制CPU AT98C51
有线通信 模块
AT24C02 芯片
键盘、按键 模块
图1 系统设计框图
核心控制模块采用AT89C51，该单片机用来实现
单片机的P2.5引脚连接在继电器的VCC端，继电 器的常闭端点连接通信模块的听筒，继电器的常开端 点连接通信模块的话筒，通过单片机对继电器的控 制，实现二者之间的半双工通信。
C3 27
GND
Abstract ： The physical radio has a complex circuits and is expensive ， and the costs will be increased greatly if it is used for training . This paper developed an airborne FM radio simulator which uses 51 microcontroller as the core control chip . The actual radio frequency and status display ， storage ， call and an error message are achieved by controlling the chip MAX7219 ， and it also sends information through the serial port . The station simulator can simulate the operation and display functions of the physical radio realistically . The system is mainly used in the operation of radio communication training and teaching in school . The simulator is stable and reliable ， which has a broad application prospects and a high practical value . Key words： short-wave radio； simulation training； wired communications； simulation technology
2.2 人机界面 人机界面包括信息输入模块和状态显示模块。其
中，信息输入模块由1个带开关的电位器、2个大开口 编码器、2个点开关的编码器和3个按键开关构成。该 模块中，各个按键和编码器的引脚接到单片机的引脚 上，通过对单片机引脚的查询，判断是否有按键按下， 从而实现相应的按键功能，通过按键改变的参数值写 入EEPROM（24C02）进行保存。状态显示模块由一片 MAX7219 和 6 位 七 段 数 码 管 以 及 14 个 LED 组 成 ， MAX7219是一种集成化的串行输入/输出共阴极显示 驱动器，它连接微处理器与8位数字的7段数字LED显 示，也可以连接条线图显示器或者64个独立的LED。其 上包括一个片上的B型BCD编码器、多路扫描回路、段 字驱动器以及一个8*8的静态RAM，RAM用来存储每 一个数据。外部寄存器用来设置各个LED的段电流，通 过采用MAX7219芯片，可以节省单片机的IO口资源， 减小单片机本身的工作负担。在本设计中，LED发光二 极管的阴极接到MAX7219的位选信号线上，阳极连接 到 相 应 的 MAX7219 段 选 信 号 线 上 ， 这 样 就 能 实 现 MAX7219对6位七段数码管和14个LED发光二极管的 控制。该部分原理图如图3所示。
拟仿真电台训练系统[4]。该模拟系统不仅在按键和显 示等外形结构上与实际电台相似，而且实际操作过程 和通话等功能也做到了与真实电台保持一致。将该系 统用于训练中，不仅可以克服实物电台在训练中价格 高的缺点，减少实物电台的损坏，增加电台的配备数 量，而且还具有逼真的仿真效果，从而增加了操作人 员的训练时间，提高了操作人员的训练水平，为操作 人员正确、熟练地使用电台提供了良好的训练环境。
第 22 卷 第 2 期 2012 年 6 月
天津职业技术师范大学学报 JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION
Vol.22 No.2 Jun. 2012
机载超短波电台模拟训练系统设计
高振斌，陈洪波，卢 飞，王仁智
（河北工业大学信息工程学院，天津 300401）
1 设计方案
为了能使模拟电台实现实际电台的功能，该模拟 系统由以下几部分组成：有线语音通信部分、频道调 整部分、人机交互部分等。
收稿日期： 2012-04-24 作者简介： 高振斌（1973—），男，副教授，博士，研究方向为通信信号处理. 通讯作者： 陈洪波（1987—），男，硕士研究生，E-mail：walterhongbo@163.com.
Simulation training system design of Airborne FM radio
GAO Zhen-bin， CHEN Hong-bo， LU Fei， WANG Ren-zhi
（School of Information Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300401 China）