基于STM32F407和MAX7349的超短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)超短波電臺(tái)訓(xùn)練中實(shí)裝訓(xùn)練存在裝備數(shù)量有限、設(shè)備損耗大、現(xiàn)有純軟件模擬訓(xùn)練系統(tǒng)操作體驗(yàn)與實(shí)裝差距大的問(wèn)題，提出一種基于STM32和MAX7349的超短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32為微處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)按鍵、LED、顯示屏和音頻接口等的控制，提供與實(shí)裝電臺(tái)相同的人機(jī)交互界面，通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，借助計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)完成電臺(tái)通信的模擬和訓(xùn)練的監(jiān)控，可為待訓(xùn)人員提供與真實(shí)設(shè)備沒(méi)有差距的操作體驗(yàn)，便于掌握每一個(gè)人在訓(xùn)練過(guò)程中的基本情況，便于大規(guī)模集中訓(xùn)練，同時(shí)可以降低成本、避免電磁輻射與干擾。

軍用超短波電臺(tái)是船艇近距離通信的主要裝備，是船艇通信人員必須熟練操作的裝備。由于按軍標(biāo)生產(chǎn)配備的超短波電臺(tái)成本較高，很難實(shí)現(xiàn)按訓(xùn)練人數(shù)配備電臺(tái)，在數(shù)量有限的情況下，學(xué)員培訓(xùn)過(guò)程中的頻繁操作易造成設(shè)備的損壞，且多臺(tái)設(shè)備使用中的電磁輻射及干擾問(wèn)題不容忽視。為解決實(shí)裝在教學(xué)實(shí)踐中的局限性，基于模擬技術(shù)的超短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)在教學(xué)訓(xùn)練中被廣泛使用。

本文針對(duì)某型號(hào)船用超短波電臺(tái)，基于STM32和MAX7349實(shí)現(xiàn)電臺(tái)人機(jī)交互界面的實(shí)物仿真，考慮到實(shí)裝更新?lián)Q代速度較快的情況，電路設(shè)計(jì)預(yù)留多種按鍵及LED的配置方式，可適應(yīng)多種超短波電臺(tái)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的需求。通信模擬基于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了超短波通信環(huán)境的模擬、通信業(yè)務(wù)模擬、復(fù)雜電磁環(huán)境模擬，同時(shí)可進(jìn)行訓(xùn)練情景設(shè)計(jì)、訓(xùn)練過(guò)程監(jiān)控和訓(xùn)練效果評(píng)估。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)主要由硬件模擬器、學(xué)員計(jì)算機(jī)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施組成，如圖1所示。

其中硬件模擬器采用與超短波電臺(tái)一樣的外觀和人機(jī)交互界面，以STM32F407為核心器件，包括USB轉(zhuǎn)串口模塊、音頻輸入輸出模塊、顯示模塊和鍵盤(pán)旋鈕LED模塊，其中USB轉(zhuǎn)串口模塊實(shí)現(xiàn)與學(xué)員計(jì)算機(jī)間的操作狀態(tài)和通信內(nèi)容的交互。

學(xué)員計(jì)算機(jī)通過(guò)USB 線連接硬件模擬器，通過(guò)網(wǎng)線接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)各模擬器間的通信模擬以及與監(jiān)控計(jì)算之間的協(xié)作。

監(jiān)控計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)線接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)所有學(xué)員計(jì)算機(jī)及硬件模擬器的監(jiān)控。

2硬件模擬器電路設(shè)計(jì)

2.1STM32F407介紹

STM32系列微處理器基于ARM CortexM內(nèi)核，專為滿足高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)通信等領(lǐng)域。本系統(tǒng)硬件模擬器微處理器選用STM32F407，基于32位ARM CortexM4內(nèi)核，主頻可達(dá)168 MHz，擁有192 KB SRAM、1 024 KB Flash、2個(gè)全雙工SPI、3個(gè)I2C、6個(gè)串口、一個(gè)FSMC接口且最多支持112個(gè)通用I/O口。

2.2USB轉(zhuǎn)串口模塊電路設(shè)計(jì)

微處理器與學(xué)員計(jì)算機(jī)的接口采用串口通信方式，考慮當(dāng)前主流計(jì)算機(jī)很少支持串口，采用USB轉(zhuǎn)串口的方式，選用南京沁恒的CH340G芯片，電路如圖2所示。微處理器的USRAT1的串行數(shù)據(jù)的發(fā)端、收端分別與CH340G的串行數(shù)據(jù)的收端、發(fā)端相連，CH340G的USB數(shù)據(jù)D+、D-通過(guò)USB口可與計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)微處理器與學(xué)員計(jì)算機(jī)之間通過(guò)USB連接的串口通信。圖中Q1、Q2構(gòu)成該硬件模擬器的串口下載電路，可通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)軟件代碼的一鍵下載。

2.3音頻輸入輸出模塊

音頻輸入輸出模塊選用歐勝的WM8978作為音頻處理芯片，選用TI公司的LM4990作為喇叭驅(qū)動(dòng)芯片。WM8978具有較好的數(shù)字信號(hào)處理能力，集成了對(duì)麥克風(fēng)的支持，通過(guò)I2S與微處理器進(jìn)行音頻數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)I2C接口實(shí)現(xiàn)芯片的配置。LM4990為2 W輸出音頻功率的放大芯片，需要較少的外部元件，無(wú)需外接輸出耦合電容和自舉電容，且內(nèi)置待機(jī)電路，可以關(guān)閉功放使其工作于較低的功耗狀態(tài)。

2.4顯示模塊

顯示屏選用128×128點(diǎn)陣液晶顯示模塊，模塊控制芯片為T(mén)6963C，與微處理器的FSMC總線相連。由于FSMC總線電壓標(biāo)準(zhǔn)為+3.3 V，而顯示模塊的電壓標(biāo)準(zhǔn)為+5.0 V，F(xiàn)SMC總線與顯示模塊總線間需要電壓轉(zhuǎn)換芯片，選用TI公司的SN74LVC4245芯片實(shí)現(xiàn)總線的電壓轉(zhuǎn)換，SN74LVC4245支持8路雙向電壓轉(zhuǎn)換。

2.5鍵盤(pán)、旋鈕及LED