基于ISD4004隐蔽化集群电台的通信模块设计与实现

摘要：在单片机的统一控制下，将ISD系列语音录放芯片与集群手车台配合使用，从而以较低的成本实现了集群电台联络时的隐蔽化使用。
关键词：ISD4004；单片机；集群电台

0 引言
    集群电台包括集群手台(对讲机)和集群车台，它们在党政机关、军队、警察以及工程建设中应用十分广泛，但是在实际使用中也存有一定局限。例如在一些特殊场合，如警察对犯罪分子开展秘密调查跟踪取证，或是工程人员在嘈杂的建筑工地指挥塔吊工作的时候，各类集群电台使用人员都可能遭遇到这类尴尬——即需要借助集群电台向相关人员汇报情况的时候，却不便发出声音或者因周边环境嘈杂造成无法正常通信。
    通过调查走访，这类工作的共性通常是语义简单却需要反复说讲。例如警察在秘密调查取证中，经常会重复“嫌疑人出现，正常跟踪，嫌疑人停止了脚步，嫌疑人开始逃跑”等话语；工程人员则会始终重复“开始起吊、向左、向右、向前、向后、结束起吊”等简单信息。鉴于各单位的集群手台、车台已经大量投入使用，如果能够在上述各类集群电台上外接一套通用的控制通信模块，将能够在最低的成本增加中实现特殊情况的集群通信应用，从而进一步提高各单位集群通信系统的联络通信和指挥调度的效能。
    本系统以单片机作为主要控制芯片，ISD4004作为语音录放芯片，配合相关外围电路和控制开关实现特殊场合下的隐蔽化通信。用户只需事先录制好所需语音，在工作时按下相应按钮，即可将该路话音由集群电台发出。各种集群手台车台，只要能够提供语音输入、语音输出、PPT和接地四条接线，都能够与该模块配套使用。

1 工作原理
    系统主要分为两大部分。一是在使用前的语音输入部分。即用户可以根据自己的实际使用需求，按需进行录音。通过系统的外围按键，在按动录音按钮之后，单片机通过SPI串行输入，告诉ISD4004芯片进入录音模式和录音的起始地址。麦克风输入的声音经过过滤和放大输入到ISD4004，实现了录音。另外一个部分是在使用的过程中，当工作人员需要说话的时候，可以按动相应的按钮播放语音。当用户动作之后，单片机通过SPI串行输入，告诉ISD4004芯片进入放音模式和放音的起始地址。同时单片机触发集群电台的PPT控制引脚，实现语音由ISD4004芯片向集群电台的输入与转发。图1工作模式示意图

2 电路设计
    本系统电路设计如图2、3、4所示。

    当工作在语音输入模式时，按下录音按钮1，声音由麦克风输入，输入至三极管得到有效放大。再经过滤波输入至ISD4004的ANA IN+引脚中。ISD4004的语音信号由耦合电容输入，最大幅度为峰值32mV，耦合电容和本端的电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。此时，SS引脚与单片机P00引脚相连接，作为片选信号使用。MOSI(串行输入)引脚与单片机P01引脚相连接，单片机通过软件写入0xB0，即命令ISD4004工作在“从指定地址录音”状态，进行录音。录音完毕后，再次按下按钮1，将停止录音。
    而当工作在按键转发模式的情况下，按下按钮2，声音将经由ISD4004的AUD OUT口输出，连接至集群电台的MIC输入信号线。其中可并联两个不同大小的电容(测试中选用2．2μf和22μf)，用来分别过滤线路中的高频和低频噪声。MOSI(串行输入)引脚与单片机P01引脚相连接，单片机通过软件写入0xE0，即命令ISD4004工作在“从指定地址放音”状态，系统将根据按键，送入不同的放音起始地址。ISD4004将实现自动放音，直至遇到EOM。放音状态下单片机的P10口直接驱动集群电台的PPT输入信号，通过软件将P10置为低电平，实现集群电台的PPT功能和声音转发。值得注意的是，不同的集群手台MIC输入阻抗不同，必要时需要调整ISD4004的输出阻抗。

3 软件设计
    程序设计如图5所示，ISD4004芯片在上电以后，将对芯片进行初始化。此时，STC89C52单片机将对外围连接的3×3控制矩阵进行按键检测，得到相应的两进制的数值。根据数值，单片机控制程序将自动判定是采取录音还是放音功能，并生成相应的语音起始地址。根据判定，单片机逐位地将SPI关键字写入MOSI引脚，即完成了单片机对于ISD4004的功能和起始地址的告知。在完成录音工作以后，ISD4004生成EOM中断。以后一旦放音遭遇到EOM时ISD4004将产生中断并输入至单片机外部中断INT0，回到起始点。

    鉴于保证程序较好的可读性和可维护性，编程采用了C语言。几个主要子程序如下：
    ISD4004 SPI写入子程序
   

4 调试环境
    本系统调试的硬件环境为隐蔽化通信模块与MOTOROLfA的MTH850手台相配合。软件环境是采用了KEIL，C的编程环境和STC-ISP的单片机烧录程序。具体内容如下：
    在硬件调试环境中，除了常规设置之外，还需要注意以下几个要点：
    (1)集群手台中语音输入、语音输出、PPT和接地四条接线的选取。集群车台一般具备专用的数据接口，只要按照说明书就能够取出相应的信号引线，然而一般的集群手台不会具备明显的数据输入输出口，且各品牌的手台通常也采用不同的技术标准。但是无论是模拟集群手台或是数字集群手台，通常都具备了有线耳机麦克风接口。通过将该接线截断研究，可以得知其中四根导线的定义进而依次确定手台的语音输入、语音输出、PPT和接地四条接线的具体位置。
    (2)集群手台的MIC接收灵敏度需要调整。所谓手台的MIC接收灵敏度是指手台的内置／外界麦克风在多少灵敏度下可打开工作。在灵敏度太低的情况下，将不能有效地触发起集群手台的PPT功能。经过实验证明，在通过手台耳机接口的情况下，如果需要触发起手台PPT功能，必须同时满足两个条件。一是外接PPT线需要置0(这个功能是通过C语言编程中的play()函数得以实现)。二是外界MIC线需有声音输入，即ISD40 04有声音输出。两个条件必须同时满足才能有效触发手台PPT功能。因此，在手台烧码软件里，可以适当提高MIC的接收灵敏度，避免因为灵敏度不够造成PPT无法触发的情况。
    (3)输出音质的调整。语音输出部分，通常单一电容进行杂音滤波。经过实验，单一小电容的杂音滤波效果一般。因此通过将一大一小两个电容并联的方法，分别过滤声音输出过程中的高音部分杂波和低音部分杂波。本项目中，电容的选择分别是2．2μf／50V和22μf／35V。实验证明，通过两电容并联以后，有效地改善了本产品的话音输出质量。
    (4)工作电源的落实。本系统中主要涉及到单片机的工作电压和ISD4004芯片的工作电压，它们分别为5V和3．3V。其中5V工作电压可通过4节1．3V可充电镍氢电池串联获得。经测试它的工作电压和工作时间满足日常要求。3．3V电压为ISD4004语音录放芯片专用。由于该芯片
包含了模拟量与数字信号的互换过程，因此对电源的要求较高。本系统采用HT7133稳压电源芯片，提供稳定的3．3V直流输出。当然在条件允许的情况下也可以选择3V工作电压的单片机以简化电路。
    在软件调试过程中，有如下几个重点：
    (1)通过调用at89x52．h函数库，实现了单片机的外部接口与内部实际地址的有效映射。此举极大地减轻了主函数和功能函数的编程复杂度，同时提高了程序的可读性和可维护性。
    (2)通过有效设置单片机烧码程序，完成软件的编辑和烧录工作。在此项目中选用的软件是STC-ISP烧录软件，它是STC公司的单片机配合烧码软件。界面如图6所示。

    在KEIL C中完成C编程并生成有效的HEX十六进制文件后，只要依次进行
    MCU Type选择：选择相应的CPU类型，这里选STC89C52RC；
    COM口选择：选择电脑对应的COM口；
    波特率：最高115200，最低1200；
    双倍速：选择12T／单倍速
    其他选项默认即可。在完成选项设置后，选择“打开程序文件”后下载相应源程序，再点击“Download／下载”就完成了所有的单片机烧码工作。

5 结束语
    本系统充分利用了各类集群手台的耳机麦克风一体化插孔，将ISD4004的高清晰语音录放和单片机控制功能相结合，成本较低，兼容性好，适用于各类模拟／数字集群设备的隐蔽化通信应用，可在特定的场合发挥出特殊作用。