数字化车内通信系统方案设计

摘要：为了实现一种集成化、网络化、数字化和多功能的新一代车内通信系统，综合运用ARM嵌入式控制、计算机网络和数字通信等技术，设计了一种新型的数字化车内通信系统实现方案。该方案设计合理、接口丰富、扩展性强，数字化和网络化程度高，系统功能设计完备，为新一代车内通信系统设计研制提供了参考。
关键词：车内通信；数字化；网络化；方案

    近年来，随着通信技术、微电子技术和计算机网络技术的不断发展，车内通信系统正朝着集成化、数字化、网络化和多功能化方向发展。新一代车内通信系统，要能够实现车内、车下、车际的话音统一交换与处理，满足车内乘载员间话音指挥、数据共享的要求，满足车际之间的话音直接指挥、话音拨号及数据指挥的要求。

1 车内通信系统总体框架设计
    车内通信系统的设计思路是以先进的工程设计思想为指导，采用目前最流行的嵌入式开发技术，计算机网络技术和数字通信等先进技术设计的一种新型的数字化车内通信系统。

    车通系统内所有车通设备的通信模块采用全双工交换式千兆以太网交换模块，对外提供多个10／100自适应以太网接口。各车通设备之间采用交换端口级联方式连接，通信速率为100 Mbps。车载计算机或便携式计算机可连接在车通设备的任意一个以太网口(ETH)。话筒产生的模拟音频信号通过采样量化成数字信号后再通过系统网络传输，话音信号数字化前进行了动态降噪放大。

2 车内通信系统硬件系统设计
2．1 硬件系统设计
    车内通信系统的所有设备统一采用ARM开发平台，通过以太网总线进行互联。ARM处理器主要完成对各种开关、旋纽、显示屏与指示灯的输入输出控制，语音的采集回放与交换传输处理以及网络通信控制，系统硬件框图如图2所示。

2．2 ARM主控板硬件设计
    ARM主控芯片是SAMSUNG公司最新的32位高性能低功耗S3C6410通用微处理器。该处理器外部存储器接口，能满足在高端通信服务中的数据带宽要求。为了降低整个系统的成本和提升总体功能，处理器还包括很多硬件功能外设，如系统管理单元、4通道的UART、32通道的DMA、4通道定时器、通用I／O口、I2S总线、I2C总线、USB Host、高速USB OTC、SD Host、高速MMC卡接口以及内部的PLL时钟发生器。
    ARM处理器主控板硬件采用AC97接口与音频处理芯片WM9714相连，实现话音采集与播放控制。ARM处理器主控板通过SP3232芯片，将串口TTL电平转化为RS232电平，以实现串口通信；通过FE1．1S芯片扩展4个USB Host接口，支持U盘、鼠标、键盘、蓝牙等USB设备；通过以太网控制芯片DM9000AE实现网络数据传输与控制；通过I／O口与显示屏、旋转开关和指示灯等设备直接相连。
2．3 音频处理模块设计
    音频处理模块采用WM9714芯片，该芯片是一款专为移动终端和通信而设计的高度集成的输入／输出器件，采用了双编解码器运行的架构，通过AC连接接口支持高保真(Hi-Fi)立体声编解码器功能，同时还通过一个PCM型同步串行端口(SSP)支持声音编码解码器功能。该芯片能够直接连接到单声道或立体声麦克风、立体声耳机以及立体声扬声器，从而降低了系统元器件总数。与耳机、扬声器以及听筒的无电容连接，可节省成本和印刷电路板面积。
    ARM处理器通过一个符合AC-97标准、单独的AC-Link接口，可以连接和控制所有的芯片功能。WM9714芯片可以直接输入24．576 MHz的主时钟，或者由板上的锁相环从一个13 MHz(或其它频率)时钟从内部产生。WM9714L运行的电源电压范围为1．8 V～3．6 V；芯片上的任何部分都可以通过软件控制实现关断来降低功耗。
2．4 网络控制模块设计
    系统网络控制采用DAVICOM公司的DM9000AE芯片，该芯片集成了10／100M收发器、4K双字SRAM，可支持8／16bit工作模式、交叉线自适应功能、MII／RMII接口和UDP／TCP／IP加速。该芯片可与微处理器以8 bit或16 bit的总线方式连接，并可根据需要以单工或全双工等模式运行。网口接口采用HR911105A芯片，该芯片具有信号耦合、电气隔离、阻抗匹配、抑制干扰等优点。由于HR911105A自带网络变压器，DM90 00AE接收信号线RX+、RX-和发送信号线TX+、TX-可直接连接到HR911105A的发和收脚上。网络变压器的主要作用是将嵌入式系统与外部线路相隔离，防止干扰和烧坏元器件，实现带电的插拔功能。
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3 车内通信系统软件设计
3．1 嵌入式操作系统选择
    嵌入式操作系统采用WinCE(Microsoft Windows CE)系统作为ARM处理器的操作系统，主要原因有以下几点。
    (1)Microsoft Win32应用编程接口(API)的广泛应用；
    (2)WinCE是紧凑的、高效的和可升级的32位嵌入式操作系统；
    (3)WinCE系统功能强大，能完成大部分PC具有的功能，提供了友好的人机交互界面，可以使用鼠标、键盘等工具；
    (4)可根据应用需要裁剪内核，减少系统开销，稳定性好，启动时间短；
    (5)WinCE是一个严格实时操作系统。
3．2 嵌入式程序设计
    ARM嵌入式程序采用面向对象和模块化程序设计思想，按照功能将整个程序分为按键输入模块、面板显示模块、参数配置模块、网络传输控制模块、话音采集与回放模块和程序升级模块，其组成如图3所示。

    对应以上6个模块，整个嵌入式程序采用面向对象的编程方法，将功能模块分别用6个类来实现，其功能如表1所示。其中网络传输控制模块综合运用TCP／IP、RTP／RTCP／UDP协议，实现话音数据和信令的传输。话音数据格式采用PCM编码、单声道、11 025 Hz采样率、8 bit数据宽度。

4 结束语
    车内通信系统近年来随着数字通信技术、网络技术和微电子技术的发展得到了迅速发展，已经从模拟交换模式上发展到全数字化、网络化阶段，新型的车内通信系统由于采用了大量的现代电子技术，其集成化、网络程度高，车内设备以及车际间的互连互通方便、可靠。本文设计的车内通信系统方案是以ARM嵌入式系统为核心，大量运用了现代微电子设计技术，IP技术等，使得整个系统高度集成化、网络化。因此，本文所设计的方案有一定的工程研制参考意义。