基于DTMF技术的一键导航系统设计

黄冠明　王志强　温志英

摘 要：文章介绍了一种基于DTMF技术实现一键导航系统的设计方案。利用车载终端蓝牙与用户手机蓝牙配对，实现与后台服务中心通讯，通过DTMF传输导航指令，实现导航功能。该系统成本低、性能可靠，已得到实际应用。

关键词：蓝牙、双音多频、一键导航

引言

在车辆行驶过程中进行导航路径规划是非常危险的行为，因此很多企业推出了一键导航系统，即驾驶员只需按下一个按键（称之为“一键通”），告诉后台服务中心路线要求，即可由后台座席协助完成路径规划。通常一键导航系统的车载终端需要配备通讯模块，以实现和后台的通讯。考虑到车载终端已基本将蓝牙作为标配，在和用户手机蓝牙配对后，可实现与后台服务中心通讯，通过DTMF（Dual Tone Multi-Frequency，双音多频）传输指令，可实现车载终端一键导航功能。

1 一键导航原理

在蓝牙配对之后，当一键通被触发时，终端系统自动发送后台服务中心号码给蓝牙拨号程序，通过用户手机拨打后台服务中心。在通话过程中，后台导航指令通过DTMF经蓝牙发送到车载终端，车载终端自动进行路径规划，实现一键导航。车载终端和后台服务中心均配有DTMF编解码器，以实现导航指令的顺利传输与解析。

2 设计概念及操作流程

蓝牙一键导航的基本设计思想是通过蓝牙模块，借助DTMF编解码器实现一键导航的功能。具体实现：

2.1 用户通过蓝牙手机拨打服务中心电话，告知要去的目的地，座席根据用户目标地址，读取地图经纬度，生成DTMF数据文件，插入当前电话语音通道。

中国区域，纬度范围为：N18.000000～N54.000000

经度范围为：E73.000000～E135.000000

2.2 通过座席循环调用语音接口，发送上述DTMF码。实际设计中采用的速率为每200ms一个DTMF码。

2.3 车载终端收到DTMF文件，通过DTMF解码器解析出发送码，然后校验收到的数据是否有效，同时对中心作出相应的应答（成功或失败），在接受处理数据以及作出应答的过程中，并行处理关闭打开功放通道，以免语音干扰。如终端收到的数据有效，解析出来，呼叫地图进行导航。

2.4 服务中心收到终端的应答，作出相应的处理，如服务中心收到终端发出数据有效的应答，则座席切回到声音通道，提示本次服务结束，挂机；如服务中心收到终端发出数据无效或者在规定的时间内，服务中心未能收到应答（即终端压根就未收到DTMF文件），则服务中心自动重新插入一次DTMF文件，下发给终端。

2.5 如服务中心再次收到终端发出数据无效或者在规定的时间内，服务中心仍然未能收到应答，则坐席切回到声音通道，提示用户检查使用正确的原厂地图和设备软件，进入人工服务。

3 终端硬件设计

通常情况下，车载终端的处理器通过串口与蓝牙通讯，蓝牙音频（通过功放）输出到扬声器。在此基础上，将蓝牙音频输出并入处理器ADC接口，进行DTMF解码；同时，将数据通过串口发送到蓝牙模块，DTMF编码后发出。终端与后台通过蓝牙实现语音和数字信息传输。

在蓝牙模块与处理器之间的音频通道，使用精密运算放大器放大DTMF信号，输入处理器ADC接口。

4 系统软件设计

根据CCITT Q.23 建议，DTMF信号的技术指标是：传送/接收率为每秒10个号码，或每个号码100ms，每个号码传送过程中，信号存在时间至少45m，且不多于55ms，间隙的其它时间内保持静默。考虑到DTMF信号经过蓝牙中转，实际设计时将每个号码发送速率调整为200ms，比100ms有较高的识别率。

DTMF信号包含两组音频信号，解码器的任务是通过数学变换把它从时域转换到频域，然后得出对应的数字信息。软件模拟按键产生双音频信号时，相继的两个信号间隔一段时间。解码器利用这个间隔识别出双音频信号，并转换成对应的数字信息，而且要识别出间隙信息。因此流程包含音频任务和静默任务，前者是产生双音频采样值，后者产生静默采样值。每个任务结束时，要重置定时器和下一个任务。其中静默任务还要加上另一任务：从数字缓冲区取出数字信号并将数字映射为对应的行、列音频特性（振荡器系数、初始条件），装载指针指向振荡器特性表对应的正确位置。

DTMF信号检测的核心是Goertzel算法，它需要通过一系列检测才能确定信号的有效性：（1）信号的强度需足够大；（2）最强的行列频率频谱分量需比其他音频信号高一个门限值；（3）二次谐波分量需小于规定值；（4）数字信息被连续检测到两次才认为是稳定的；（5）数字信息之后需有停顿状态。在检测到有效的数字信号之后，进行算法解密，如果是导航指令，则自动启动导航并规划路径。终端与后台通过以下协议进行通讯：

起始符+功能扩展+内容+校验和+结束符

其中导航所需的经纬度信息包含在“内容”中。

一键导航操作流程如图1所示，如中心下发DTMF文件失败，会重发一次，同时并行处理开/关静音，以免DTMF语音文件干扰。

图1 一键导航操作流程

5 实验分析

笔者在实际使用中设计两种方案，一种是采用DTMF解码芯片硬解，一种是处理器通过算法软解，即文章所述方案。在蓝牙音频输出后端选用相同硬件参数的情况下，对不同通讯运营商来说，即使蓝牙输出DTMF信号幅度在规定范围之内，前者仍出现了信号识别失败的问题。前者由于DTMF信号对专有芯片的依赖，导致产生的信号稳定性差，功耗大，成本高。后者可通过软件抑制大量噪声，大大提高了DTMF信号的误码率低。

6 结束语

通过实际使用验证，基于DTMF的蓝牙一键导航系统稳定可靠，蓝牙兼容性高，DTMF误码率低。而且，比传统的带通讯模块一键导航系统具有较高的成本优势，值得大力推广。

参考文献

[1]张大彪.采用DTMF方式通信的安全报警系统[J].工程建设与设计，2001（3）：17-19.

[2]陈泉，胡小龙.基于软件的DTMF产生器及性能分析[J].单片机及嵌入式系统的应用，2005.（4）：16-18.

[3]管庆，徐胜.双音多频DTMF技术在DSP系统中的实现[J].今日电子，2003年11期.

[4]常青青，邓大伟，艾红.基于DSP的DTMF信号编解码算法实现.北京信息科技大学学报（自然科学版），2011年04期.

作者简介：黄冠明（1980，7-），男，福建省漳州市（籍贯），现职称：工程师，学历：硕士，研究方向：汽车电子。endprint

摘 要：文章介绍了一种基于DTMF技术实现一键导航系统的设计方案。利用车载终端蓝牙与用户手机蓝牙配对，实现与后台服务中心通讯，通过DTMF传输导航指令，实现导航功能。该系统成本低、性能可靠，已得到实际应用。

关键词：蓝牙、双音多频、一键导航

引言

在车辆行驶过程中进行导航路径规划是非常危险的行为，因此很多企业推出了一键导航系统，即驾驶员只需按下一个按键（称之为“一键通”），告诉后台服务中心路线要求，即可由后台座席协助完成路径规划。通常一键导航系统的车载终端需要配备通讯模块，以实现和后台的通讯。考虑到车载终端已基本将蓝牙作为标配，在和用户手机蓝牙配对后，可实现与后台服务中心通讯，通过DTMF（Dual Tone Multi-Frequency，双音多频）传输指令，可实现车载终端一键导航功能。

1 一键导航原理

在蓝牙配对之后，当一键通被触发时，终端系统自动发送后台服务中心号码给蓝牙拨号程序，通过用户手机拨打后台服务中心。在通话过程中，后台导航指令通过DTMF经蓝牙发送到车载终端，车载终端自动进行路径规划，实现一键导航。车载终端和后台服务中心均配有DTMF编解码器，以实现导航指令的顺利传输与解析。

2 设计概念及操作流程

蓝牙一键导航的基本设计思想是通过蓝牙模块，借助DTMF编解码器实现一键导航的功能。具体实现：

2.1 用户通过蓝牙手机拨打服务中心电话，告知要去的目的地，座席根据用户目标地址，读取地图经纬度，生成DTMF数据文件，插入当前电话语音通道。

中国区域，纬度范围为：N18.000000～N54.000000

经度范围为：E73.000000～E135.000000

2.2 通过座席循环调用语音接口，发送上述DTMF码。实际设计中采用的速率为每200ms一个DTMF码。

2.3 车载终端收到DTMF文件，通过DTMF解码器解析出发送码，然后校验收到的数据是否有效，同时对中心作出相应的应答（成功或失败），在接受处理数据以及作出应答的过程中，并行处理关闭打开功放通道，以免语音干扰。如终端收到的数据有效，解析出来，呼叫地图进行导航。

2.4 服务中心收到终端的应答，作出相应的处理，如服务中心收到终端发出数据有效的应答，则座席切回到声音通道，提示本次服务结束，挂机；如服务中心收到终端发出数据无效或者在规定的时间内，服务中心未能收到应答（即终端压根就未收到DTMF文件），则服务中心自动重新插入一次DTMF文件，下发给终端。

2.5 如服务中心再次收到终端发出数据无效或者在规定的时间内，服务中心仍然未能收到应答，则坐席切回到声音通道，提示用户检查使用正确的原厂地图和设备软件，进入人工服务。

3 终端硬件设计

通常情况下，车载终端的处理器通过串口与蓝牙通讯，蓝牙音频（通过功放）输出到扬声器。在此基础上，将蓝牙音频输出并入处理器ADC接口，进行DTMF解码；同时，将数据通过串口发送到蓝牙模块，DTMF编码后发出。终端与后台通过蓝牙实现语音和数字信息传输。

在蓝牙模块与处理器之间的音频通道，使用精密运算放大器放大DTMF信号，输入处理器ADC接口。

4 系统软件设计

根据CCITT Q.23 建议，DTMF信号的技术指标是：传送/接收率为每秒10个号码，或每个号码100ms，每个号码传送过程中，信号存在时间至少45m，且不多于55ms，间隙的其它时间内保持静默。考虑到DTMF信号经过蓝牙中转，实际设计时将每个号码发送速率调整为200ms，比100ms有较高的识别率。

DTMF信号包含两组音频信号，解码器的任务是通过数学变换把它从时域转换到频域，然后得出对应的数字信息。软件模拟按键产生双音频信号时，相继的两个信号间隔一段时间。解码器利用这个间隔识别出双音频信号，并转换成对应的数字信息，而且要识别出间隙信息。因此流程包含音频任务和静默任务，前者是产生双音频采样值，后者产生静默采样值。每个任务结束时，要重置定时器和下一个任务。其中静默任务还要加上另一任务：从数字缓冲区取出数字信号并将数字映射为对应的行、列音频特性（振荡器系数、初始条件），装载指针指向振荡器特性表对应的正确位置。

DTMF信号检测的核心是Goertzel算法，它需要通过一系列检测才能确定信号的有效性：（1）信号的强度需足够大；（2）最强的行列频率频谱分量需比其他音频信号高一个门限值；（3）二次谐波分量需小于规定值；（4）数字信息被连续检测到两次才认为是稳定的；（5）数字信息之后需有停顿状态。在检测到有效的数字信号之后，进行算法解密，如果是导航指令，则自动启动导航并规划路径。终端与后台通过以下协议进行通讯：

起始符+功能扩展+内容+校验和+结束符

其中导航所需的经纬度信息包含在“内容”中。

一键导航操作流程如图1所示，如中心下发DTMF文件失败，会重发一次，同时并行处理开/关静音，以免DTMF语音文件干扰。

图1 一键导航操作流程

5 实验分析

笔者在实际使用中设计两种方案，一种是采用DTMF解码芯片硬解，一种是处理器通过算法软解，即文章所述方案。在蓝牙音频输出后端选用相同硬件参数的情况下，对不同通讯运营商来说，即使蓝牙输出DTMF信号幅度在规定范围之内，前者仍出现了信号识别失败的问题。前者由于DTMF信号对专有芯片的依赖，导致产生的信号稳定性差，功耗大，成本高。后者可通过软件抑制大量噪声，大大提高了DTMF信号的误码率低。

6 结束语

通过实际使用验证，基于DTMF的蓝牙一键导航系统稳定可靠，蓝牙兼容性高，DTMF误码率低。而且，比传统的带通讯模块一键导航系统具有较高的成本优势，值得大力推广。

参考文献

[1]张大彪.采用DTMF方式通信的安全报警系统[J].工程建设与设计，2001（3）：17-19.

[2]陈泉，胡小龙.基于软件的DTMF产生器及性能分析[J].单片机及嵌入式系统的应用，2005.（4）：16-18.

[3]管庆，徐胜.双音多频DTMF技术在DSP系统中的实现[J].今日电子，2003年11期.

[4]常青青，邓大伟，艾红.基于DSP的DTMF信号编解码算法实现.北京信息科技大学学报（自然科学版），2011年04期.

作者简介：黄冠明（1980，7-），男，福建省漳州市（籍贯），现职称：工程师，学历：硕士，研究方向：汽车电子。endprint

摘 要：文章介绍了一种基于DTMF技术实现一键导航系统的设计方案。利用车载终端蓝牙与用户手机蓝牙配对，实现与后台服务中心通讯，通过DTMF传输导航指令，实现导航功能。该系统成本低、性能可靠，已得到实际应用。

关键词：蓝牙、双音多频、一键导航

引言

在车辆行驶过程中进行导航路径规划是非常危险的行为，因此很多企业推出了一键导航系统，即驾驶员只需按下一个按键（称之为“一键通”），告诉后台服务中心路线要求，即可由后台座席协助完成路径规划。通常一键导航系统的车载终端需要配备通讯模块，以实现和后台的通讯。考虑到车载终端已基本将蓝牙作为标配，在和用户手机蓝牙配对后，可实现与后台服务中心通讯，通过DTMF（Dual Tone Multi-Frequency，双音多频）传输指令，可实现车载终端一键导航功能。

1 一键导航原理

在蓝牙配对之后，当一键通被触发时，终端系统自动发送后台服务中心号码给蓝牙拨号程序，通过用户手机拨打后台服务中心。在通话过程中，后台导航指令通过DTMF经蓝牙发送到车载终端，车载终端自动进行路径规划，实现一键导航。车载终端和后台服务中心均配有DTMF编解码器，以实现导航指令的顺利传输与解析。

2 设计概念及操作流程

蓝牙一键导航的基本设计思想是通过蓝牙模块，借助DTMF编解码器实现一键导航的功能。具体实现：

2.1 用户通过蓝牙手机拨打服务中心电话，告知要去的目的地，座席根据用户目标地址，读取地图经纬度，生成DTMF数据文件，插入当前电话语音通道。

中国区域，纬度范围为：N18.000000～N54.000000

经度范围为：E73.000000～E135.000000

2.2 通过座席循环调用语音接口，发送上述DTMF码。实际设计中采用的速率为每200ms一个DTMF码。

2.3 车载终端收到DTMF文件，通过DTMF解码器解析出发送码，然后校验收到的数据是否有效，同时对中心作出相应的应答（成功或失败），在接受处理数据以及作出应答的过程中，并行处理关闭打开功放通道，以免语音干扰。如终端收到的数据有效，解析出来，呼叫地图进行导航。

2.4 服务中心收到终端的应答，作出相应的处理，如服务中心收到终端发出数据有效的应答，则座席切回到声音通道，提示本次服务结束，挂机；如服务中心收到终端发出数据无效或者在规定的时间内，服务中心未能收到应答（即终端压根就未收到DTMF文件），则服务中心自动重新插入一次DTMF文件，下发给终端。

2.5 如服务中心再次收到终端发出数据无效或者在规定的时间内，服务中心仍然未能收到应答，则坐席切回到声音通道，提示用户检查使用正确的原厂地图和设备软件，进入人工服务。

3 终端硬件设计

通常情况下，车载终端的处理器通过串口与蓝牙通讯，蓝牙音频（通过功放）输出到扬声器。在此基础上，将蓝牙音频输出并入处理器ADC接口，进行DTMF解码；同时，将数据通过串口发送到蓝牙模块，DTMF编码后发出。终端与后台通过蓝牙实现语音和数字信息传输。

在蓝牙模块与处理器之间的音频通道，使用精密运算放大器放大DTMF信号，输入处理器ADC接口。

4 系统软件设计

根据CCITT Q.23 建议，DTMF信号的技术指标是：传送/接收率为每秒10个号码，或每个号码100ms，每个号码传送过程中，信号存在时间至少45m，且不多于55ms，间隙的其它时间内保持静默。考虑到DTMF信号经过蓝牙中转，实际设计时将每个号码发送速率调整为200ms，比100ms有较高的识别率。

DTMF信号包含两组音频信号，解码器的任务是通过数学变换把它从时域转换到频域，然后得出对应的数字信息。软件模拟按键产生双音频信号时，相继的两个信号间隔一段时间。解码器利用这个间隔识别出双音频信号，并转换成对应的数字信息，而且要识别出间隙信息。因此流程包含音频任务和静默任务，前者是产生双音频采样值，后者产生静默采样值。每个任务结束时，要重置定时器和下一个任务。其中静默任务还要加上另一任务：从数字缓冲区取出数字信号并将数字映射为对应的行、列音频特性（振荡器系数、初始条件），装载指针指向振荡器特性表对应的正确位置。

DTMF信号检测的核心是Goertzel算法，它需要通过一系列检测才能确定信号的有效性：（1）信号的强度需足够大；（2）最强的行列频率频谱分量需比其他音频信号高一个门限值；（3）二次谐波分量需小于规定值；（4）数字信息被连续检测到两次才认为是稳定的；（5）数字信息之后需有停顿状态。在检测到有效的数字信号之后，进行算法解密，如果是导航指令，则自动启动导航并规划路径。终端与后台通过以下协议进行通讯：

起始符+功能扩展+内容+校验和+结束符

其中导航所需的经纬度信息包含在“内容”中。

一键导航操作流程如图1所示，如中心下发DTMF文件失败，会重发一次，同时并行处理开/关静音，以免DTMF语音文件干扰。

图1 一键导航操作流程

5 实验分析

笔者在实际使用中设计两种方案，一种是采用DTMF解码芯片硬解，一种是处理器通过算法软解，即文章所述方案。在蓝牙音频输出后端选用相同硬件参数的情况下，对不同通讯运营商来说，即使蓝牙输出DTMF信号幅度在规定范围之内，前者仍出现了信号识别失败的问题。前者由于DTMF信号对专有芯片的依赖，导致产生的信号稳定性差，功耗大，成本高。后者可通过软件抑制大量噪声，大大提高了DTMF信号的误码率低。

6 结束语

通过实际使用验证，基于DTMF的蓝牙一键导航系统稳定可靠，蓝牙兼容性高，DTMF误码率低。而且，比传统的带通讯模块一键导航系统具有较高的成本优势，值得大力推广。

参考文献

[1]张大彪.采用DTMF方式通信的安全报警系统[J].工程建设与设计，2001（3）：17-19.

[2]陈泉，胡小龙.基于软件的DTMF产生器及性能分析[J].单片机及嵌入式系统的应用，2005.（4）：16-18.

[3]管庆，徐胜.双音多频DTMF技术在DSP系统中的实现[J].今日电子，2003年11期.

[4]常青青，邓大伟，艾红.基于DSP的DTMF信号编解码算法实现.北京信息科技大学学报（自然科学版），2011年04期.

作者简介：黄冠明（1980，7-），男，福建省漳州市（籍贯），现职称：工程师，学历：硕士，研究方向：汽车电子。endprint