西门子模块6ES7512-1SK01-0AB0性能参数

数话同传 EPLD AMBE话音 Codec GMSK Modem

    话音和数据同传有多种方案，这些方案大都先将话音信号数字化，经过压缩后与外部数据一起打包传输。主要区别在于发送一包话音数据与外部数据的占用时间，以及话音数据与外部数据在包内的分割时长。常见的有两种方案。一旦日本救护车所用的数话同传方案，可将病人的身体状况的检测数据与话音同传。在这一方案中，以625ms为一个话音压缩周期，其中187.5ms用于传送数据，437.5ms用于传送话音，外部数据时隙占整个信道时间的30%，数话同传时话音延迟约为200ms。另一种是UIC建议的数话同传方案。这个方案以1040ms为一个周期，其中260ms用于传输数据，780ms用于传输压缩话音，数据时隙占整个信道的时间为25%。这一方案由于数据占用的时间较短，因此可以提供较好的通话质量，但话音延迟260ms，在双工通话时会使人感到不适，数据传输量也不高。

    上述两种方案的话音延迟都较长，同时外部数据时隙占信道的时间比较短，发送数据量受到一定的限制，主要用于传送话音信号。本文在保证传送话音质量的基础上，尽量减小话音延迟，提高外部数据分割时长，同时根据AMBE话音Codec和GMSK Modem的特点，提出了如图1所示的数据话同传方案。

    AMBE话音Codec采用基于MBE（多带话音激励）模型的压缩技术，已被证明优于CPLE、MP-MLQ、LPC10以及其它的压缩技术，MOS分达到3.5分，能够在低至2.0kbps的压缩速率下保证高质量的话音。所以本系统采用2.4kbps的话音压缩速率时仍然有很好的自然度和可懂性。当单片机查询到有话音数据时，不中断数据的传输，而是延迟60ms，单片机再将AMBE话音Codec传过来的话音数据处理后与外部数据一起打包发给Modem，实现数话同传。从上述方案中可以看出，话音信号的延迟不会超过120ms，优于前两种方案，能够很好地满足实时性的要求；外部数据时隙占整个信道时间约为46%，分割时长也比前两种方案高，此时外部数据传输率约为4800bps。没有话音数据传输时，单片机直接对外部数据进行打包传送，数据传输率为GMSK Modem的传输率，即为9600bps。

    1 系统的硬件组成及工作原理

    1．1 系统的硬件结构

    整个系统的硬件结构框如图2所示。

    系统以Atmel公司的单片机AT89C52和Altera公司的EPLD芯片EPM7128为主控芯片。AT89C52是一款低功耗、高性能的8位微处理器，负责整个系统的绝大多数工作，内部带有8KB可编程的FLASH存储器，无需扩展ROM，自带ISP口，可灵活地进行在系统可编程，可以通过全双工的标准串口与外部计算机或PLC交换数据。EPM7128是Altera公司的MAX7000系列中的一款，具有高阻抗、电可擦写等特点，可用门单元为2500个，管脚间大延时为5ns，主要用来实现话音压缩和解压缩所需的时序及逻辑控制。话音预处理和ADC-DAC单元采用MC145480，其内集成了300Hz～3400Hz的带通滤波器、AD和DA转换器，采样频率为8kHz，每个采样值采用8比特（256个量化级）编码，可输出A律和μ律可选的64kbps的PCM信号。话音压缩和解压缩通过AMBE1000完成，压缩速率从2.4kbps～9.6kbps,A/μ律可选，具有语音检测、回声抑制和休眠等功能。数据调制解调部分的核心器件是无线单片收发芯片FX909。此芯片采用GMSK调制解调方式，频带利用率非常高，特别适合在窄带的数传系统中，内部硬件实现FEC和CRC算法，同时兼容Mobitex无线广域网空中接口标准。模拟调频电台将从Modem输出的GMSK信号经过二次调制到数据传信道上传输，带宽一般为25kHz，新西兰大吉公司、美国的MDS公司、日本的建武的模拟台都可实现此功能。1．2 系统工作原理

    在无话音数据传输时，AT89C52将从串口接收的数据打包处理后发送给Modem,Modem对传过来的数据增加前向纠错（FEC）、循环冗余校验（CRC）位后，按Mobitex标准的数据格式进行交织和扰码处理，再附上比特同步和帧同步字节后，对数据包进行GMSK调制，输出音频的GMSK信号，再由电台将其调制到模拟调频话音信道上传送出去。当有话音数据传输时，模拟话音输入MC145480，经过8kHz的A律编码输出64kbps的PCM信号。经过AMBE1000压缩后，输出2.4kbps的压缩话音数据，这些话音数据经单片机AT89S52除包延时处理后与串口接收的外部数据一起打包送到调制解调模块，实现数据和话音的同时传输。

    数据接收时，Modem从模拟调频电台读入音频信号进行GMSK解调，经检错和撤包处理后，将数据传送给AT89S52。单片机经过判断处理后，如果是外部的数据，则直接通过串口输出；如果是话音数据，则经过处理后送给AMBE1000解压缩，输出的PCM信号经过A律解码和DAC，还原成模拟话音信号输出。

    2 软件设计及实现
 
    整个系统的软件主要包括三大部分：MC145480和AMBE1000的接口时序的实现、语音压缩数据的处理、数据的调制和解调。

    2．1 接口时序的实现

    AMBE1000话音Codec与MC145480的接口关系如图3所示。

    图3中CLK_2048K为2048kHz的时钟信号，CLK1_8K和CLK2_8K均为8kHz的时钟信号。可以看出，分立元器件较多，时钟源之间的干扰比较大，电路运行不太稳定。本系统中用一片EPM7128实现，用VHDL语言编写时序发生器，大大简化了电路，提高了系统的稳定性。图4是在MAXPLUSII上仿真MC145480从AMBE1000语音Codec读取数据的波形。

    从仿真波形上可以看出，在MC145480的接收帧同步信号FSR的下降沿到来时，开始在接收位时钟信号BCLKR的作用下采用从AMBE1000语音Codec传过来的数据（AMBE1000的tx_do端）。在采样一个字节后停止采样，余下的FSR为低电平的时间（一个FSR的周期内）用来给MC45480的DA转换提供缓冲时间。在下一个FSR的下降沿到来时又周而复始地重复上述操作。2．2 语音压缩数据的处理

    AMBE1000语音Codec输出数据是以帧为单位，每20ms输出一帧，每帧的大小为34bytes，其中帧头为10bytes，压缩语音数据24bytes。

    如果按全帧发送，1s内必须传送的数据位数为：

    34bytes×8bit/bytes×50=13600bit

    而Modem的大传输速率为9600bps，根本无法进行传输，更谈不上实现数据和语音同传了；另一方面，本系统没有必要将压缩语音数据按全帧发送，本系统没有必要将压缩语音数据按全帧发送，只需传送有效语音数据。压缩速率为2400bps时，每帧输出的有效语音数据为：

    2400bps/(50×8bit)=6bytes

    这样在帧尾会有18bytes(24bytes-6bytes=18bytes)的无效0数据，全帧传输时这些无用的0也参与了传输。从节省带宽方面考虑，必须进行帧头和帧尾的处理，并重组数据帧。为此，在程序中做了如下处理：当检测到有话音数据时，单片机每20ms 地AMBE1000语音Codec进行一次读写操作，将接收到的一帧数据存入一个缓冲区，去掉不必要的帧头和帧尾无效的0，得到纯语音数据（每帧6字节）。每隔60ms即连续等待三次AMBE语音Codec中断处理后（共18字节的有效语音数据），将有效的语音数据与外部接收的数据一起打包发给Modem。接收端反之，单片机将Modem解调出来的语音数据，按每6个字节，**行必要的帧头设置，再添加上帧尾的0，恢复一帧完整的数据传给AMBE1000语音Codec进行解压缩。这样充分利用了信道资源，并且语音延迟比较小，外部数据传输率也比较高。2．3 数据的调制和解调

本文研究并提出将并行工程原理应用到机械产品开发中，分析并行工程所产生的效益。

    1、并行工程中的技术工具

    近几年来，国内外学术界和企业界都在寻找从技术上解决实现并行工程的途径，目前，主要是围绕“基础技术”和“使能工具”两个方而进行研究，前者如CAX技术等，后者如DFX技术和PDM技术等。

    1.1 CAX技术

    计算机辅助工程( CAX)技术随着计算机技术的发展，形成了一批**的CAX例如，计算机辅助设计CAD、分析CAE、制造CAM、工艺分析LAPP等及其集成技术，成为顺利实施并行工程的非常重要的工具。并行工程中CAX之间的交互是动态的、随机的、双向的，这种集成式的互动要比中一的CAX应用更频繁、更复杂。另外，在产品设计阶段，尚未获取全部详细信急，因此，并行工程中CAX系统具有模糊的逻辑推理功能，能从不完整的信息来确定设计的可行性。

    1.2 DFX技术

    而向产品生命周期(DFX)的设计技术是设计方法论和设计支持技术的重要研究内容之一是产品开发的有效方法和技术。DFX是一种设计方法论，本身不直接产生设计方案，而是设计评价分析方法，为设计提供依据。其主要内涵是要求在设计过程中尽旱考虑后续阶段，如装配加工、测试、性能方而对设计施加的设计约束，以期做到产品生产一次成功。DFX方法不仅用于改进产品本身，而且用于改进产品的相关过程，强调产品设计和过程设计的同时进行，而不是像以往，当产品设计完毕再进行过程设计。

    DFX技术可以分成两类：一类是而向产品生命周期某环节的设计，例如，而向加工、而向装配、而向检验、而向服务的设计DFM， DFA，DFI，DFS等。另一类为而向产品性能因素的设计，例如，而向质量、而向成本、而向时间、而向环境、而向可靠性的设计DFQ，DFC、DFT、DFE、DFR等。

    在应用DFX技术前，应该根据存在的问题和制定的目标，选择适当DFX工具。当需要应用几种DFX技术解决问题时，必须确定各种技术的优先应用次序。

    1.3 PDM技术

    产品数据管理(PDM)技术是产品数据共享与过程管理技术，是并行工程的基础平台。PDM的目的是对并行工程中的共享数据进行统一的规范管理，保证全局数据的一致性，提供统一的数据库和友好界而，使多功能小组能在一个统一的环境下工作。PDM将所有与产品有关的信急和过程集成于一体，从概念设计、计算分析、详细设计、工艺流程设计、制造、销售、维修直至产品报废的整个生命周期相关的数据，子以定义、组织和管理，使产品数据在整个产品生命周期内保持一致、新、共享及安全。从产品数据管理的对象来看，主要分为两类：一类是产品的定义信息，另一类是产品结构、开发过程等相关的管理信息。

    目前，产品数据交换标准PDES/STEP和利用PDM进行产品设计过程管理，己被学术界和产业界接受，成为发展新一代企业自动化的基础，对企业建立并行工程的环境是十分重要的。

    除了上述关键技术之外，还有并行工程实施过程的建模、仿真与系统综合协调技术。计算机辅助仿真分析技术包括计算机图形技术、产品数字模型生成技术、快速原型技术、多媒体技术等各种分析手段。对于一个复杂产品设计系统，还要构造协同工作环境，进行组织重构和过程重组，使系统具有协调功能，能跟踪设计过程和管理工作流程，对发生的冲突进行检测与仲裁，从而保证并行工程的总目标实现。

    2、基于并行工程的产品开发过程

    并行工程实施的困难往往影响其效果的充分发挥。本文结合机械产品设计特点，对并行工程的实施和应用进行以下重点研究。

    并行工程的实施需要从调整企业组织结构和建立产品并行设计体系两方而着手。产品并行设计作为并行工程的重要环节，决定着并行工程实施的成败。产品并行设计必须打破传统的串行设计模式，实现设计者、设计方法、设计工具、设计信息的有效集成及设计过程的高度并行。集成的关键在于各种设计信息能在设计的不同阶段之间进行有效的交流和协调，这里的信息，不但包括设计图样和设计说明，而且包括设计意图、设计原理、评价决策思想等。集成的结果应表现为设计过程的并行操作。

    2.1 产品并行设计体系框架

    基于并行工程思想，设计以产品全生命周期为基准，可建立产品并行设计体系框架如图1所示。

图1 产品并行设计体系框架

    1) 每一设计活动在前一环节完成之前就开始进行，尽管这时所得到的信急并不完备，但山于各设计工作的每一新结果做到及时发布，相互之间的信息，传输和使用是动态连续的，设计在全过程中逐步完善。

    2) 将上、下游的设计要求作为本设计工作的约束条件，进行目标优化设计和相应评价。

    3) 引入反馈流，把设计中的单向通道改为嵌套循环，各设计结果及时反馈给上游进行设计评价和修改，避免到产品开发后期才发现问题而再返工。

    4) 应用过程管理软件对产品开发过程进行信急化管理，加快信急在设计部门和其他环节之间的流动，提高设计的质量和效率，缩短产品开发周期。

    2.2 设计过程并行重组

    1) 设计流程重组

    运用并行工程原理，对产品开发流程进行重组。建立机床产品的开发过程的设计流程模型如图2所示，在这种模型中，设计知识库包含机床产品分析、工艺分析以及两者之间的并行关系分析组件，为获取产品数据、评价设计方案、分析产品关键特性提供支持。概念设计、详细设计和方案评价都是在而向装配、制造和服务的设计知识库的支持下进行的，避免机床产品传统设计中对设计以外的其他因素考虑较少的缺点。

图2 并行设计流程