基于STM32的超短波电台模拟训练系统设计

张 磊，卢华平，王方超

(镇江船艇学院 船艇指挥系，江苏 镇江 212003)

基于STM32的超短波电台模拟训练系统设计

张 磊，卢华平，王方超

(镇江船艇学院 船艇指挥系，江苏 镇江 212003)

针对超短波电台训练中实装训练存在装备数量有限、设备损耗大、现有纯软件模拟训练系统操作体验与实装差距大的问题，提出一种基于STM32和MAX7349的超短波电台模拟训练系统。系统以STM32为微处理器实现对按键、LED、显示屏和音频接口等的控制，提供与实装电台相同的人机交互界面，通过串口与计算机实现数据交互，借助计算机网络完成电台通信的模拟和训练的监控，可为待训人员提供与真实设备没有差距的操作体验，便于掌握每一个人在训练过程中的基本情况，便于大规模集中训练，同时可以降低成本、避免电磁辐射与干扰。

模拟训练；超短波电台；STM32；MAX7349

0 引言

军用超短波电台是船艇近距离通信的主要装备，是船艇通信人员必须熟练操作的装备。由于按军标生产配备的超短波电台成本较高，很难实现按训练人数配备电台，在数量有限的情况下，学员培训过程中的频繁操作易造成设备的损坏，且多台设备使用中的电磁辐射及干扰问题不容忽视。为解决实装在教学实践中的局限性，基于模拟技术的超短波电台模拟训练系统在教学训练中被广泛使用。

文献[1]、[2]均采用计算机编程和计算机网络实现了电台模拟训练系统。文献[3]采用半实物仿真技术，利用有线局域网实现了某短波电台的模拟训练系统。文献[4]、[5]基于无线传输方式分别仿真了某型号电台、超短波电台的模拟训练系统。文献[6]利用Flash CS、Flash 媒体服务器(Flash Media Server,FMS)研制开发了船舶甚高频电台模拟器。

本文针对某型号船用超短波电台，基于STM32和MAX7349实现电台人机交互界面的实物仿真，考虑到实装更新换代速度较快的情况，电路设计预留多种按键及LED的配置方式，可适应多种超短波电台模拟训练系统的需求。通信模拟基于计算机网络，实现了超短波通信环境的模拟、通信业务模拟、复杂电磁环境模拟，同时可进行训练情景设计、训练过程监控和训练效果评估。

1 系统总体设计

模拟训练系统主要由硬件模拟器、学员计算机、监控计算机和网络设施组成，如图1所示。

图1 超短波电台模拟训练系统总体设计

其中硬件模拟器采用与超短波电台一样的外观和人机交互界面，以STM32F407为核心器件，包括USB转串口模块、音频输入输出模块、显示模块和键盘旋钮LED模块，其中USB转串口模块实现与学员计算机间的操作状态和通信内容的交互。

学员计算机通过USB 线连接硬件模拟器，通过网线接入网络，实现各模拟器间的通信模拟以及与监控计算之间的协作。

监控计算机通过网线接入网络，实现对所有学员计算机及硬件模拟器的监控。

2 硬件模拟器电路设计

2.1 STM32F407介绍

STM32系列微处理器基于ARM Cortex-M内核，专为满足高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用，广泛应用于工业控制[7]、数据采集[8]、网络通信[9]等领域。本系统硬件模拟器微处理器选用STM32F407，基于32位ARM Cortex-M4内核，主频可达168 MHz，拥有192 KB SRAM、1 024 KB Flash、2个全双工SPI、3个I2C、6个串口、一个FSMC接口且最多支持112个通用I/O口。

2.2 USB转串口模块电路设计

微处理器与学员计算机的接口采用串口通信方式，考虑当前主流计算机很少支持串口，采用USB转串口的方式，选用南京沁恒的CH340G芯片，电路如图2所示。微处理器的USRAT1的串行数据的发端、收端分别与CH340G的串行数据的收端、发端相连，CH340G的USB数据D+、D-通过USB口可与计算机连接，实现微处理器与学员计算机之间通过USB连接的串口通信。图中Q1、Q2构成该硬件模拟器的串口下载电路，可通过串口实现软件代码的一键下载。

图2 USB转串口模块电路

2.3 音频输入输出模块

音频输入输出模块选用欧胜的WM8978作为音频处理芯片，选用TI公司的LM4990作为喇叭驱动芯片。WM8978具有较好的数字信号处理能力，集成了对麦克风的支持，通过I2S与微处理器进行音频数据传输，通过I2C接口实现芯片的配置。LM4990为2 W输出音频功率的放大芯片，需要较少的外部元件，无需外接输出耦合电容和自举电容，且内置待机电路，可以关闭功放使其工作于较低的功耗状态。

2.4 显示模块

显示屏选用128×128点阵液晶显示模块，模块控制芯片为T6963C，与微处理器的FSMC总线相连。由于FSMC总线电压标准为+3.3 V，而显示模块的电压标准为+5.0 V，FSMC总线与显示模块总线间需要电压转换芯片，选用TI公司的SN74LVC4245芯片实现总线的电压转换，SN74LVC4245支持8路双向电压转换。

2.5 键盘、旋钮及LED

本超短波电台有1个PTT键、3个旋钮、22个按键和4个LED灯。1个PTT键位于话筒上，连接至微处理器的GPIO口；3个旋钮分别为音量、静噪和对比度旋钮，硬件模拟器电路设计中音量旋钮接入音频输出电路，对比度旋钮直接连接显示模块的对比度调节引脚，静噪旋钮连接微处理器可配置为AD输入的GPIO口，经数字化后通过微处理器实现音频的静噪处理。

按键和LED灯选用MAXIM公司的MAX7349芯片，该芯片可支持最多64个按键，支持按键音，可最多配置7路GPIO输出，此时可支持16个按键。通过引出MAX7349的引脚，可以支持不同的按键和LED灯配置。本模拟器按键和LED灯电路设计如图3所示，配置为22个按键和4个LED等，接口尚有富余。

图3 按键和LED灯电路

2.6 电源模块

硬件模拟器电源输入选用+12 V直流电源，选用TI公司的TL780-05芯片将+12 V转变为+5 V，该芯片最大可支持1.5 A输出，+3.3 V电源采用TI公司的TLV1117-33芯片。

3 系统软件设计

3.1 硬件模拟器软件设计

硬件模拟器软件流程如图4所示，其中按键信息由MAX7349触发的中断处理程序提供，中断处理程序中读取按键值并设置相应的按键信息参数；语音发送状态由PTT中断处理程序提供，其中断处理流程如图5所示；语音收信状态由串口中断提供，串口中断程序根据接收数据进行判断并设置相应参数。

图4 硬件模拟器软件流程图

硬件模拟器开机后，首先分别初始化STM32F407各模块、MAX7349和WM8978；然后判断学员计算机与硬件模拟器的串口是否有效连接，如果学员计算机未连接，则硬件模拟器只提供操作模拟，不提供通信模拟功能；检测串口连接后，程序进入循坏操作，在循坏里依次检测是否发信、是否有按键、是否收信并进行相应处理。

图5 PTT中断处理流程图

3.2 学员计算机软件设计

学员计算机软件启动后，自动检测USB串口并与硬件模拟器建立连接，然后同时检测串口数据与网络数据，一方面接收来自硬件模拟器串口的数据，根据数据要求广播至网络；一方面接收网路数据，根据数据要求通过串口发送至硬件模拟器。

3.3 监控计算机软件设计

监控计算机软件一方面接收来自学员计算机发送的网路数据，更新各学员的状态信息，并对训练效果进行评估；另一方面可以设置训练情景设计，通过网路向学员及发送相关指令。

4 结论

本文设计实现了一种基于STM32F407和MAX7349的超短波电台模拟训练系统，该系统采用与实装相同的人机交互界面，基于计算机网络技术模拟超短波电台通信，利用计算机模拟技术提供通信场景模拟，能够提供与实装训练无差别的操作体验，且能够灵活设置场景、下达训练任务、监控训练过程及评估训练效果。系统采用MAX7349扫描按键并驱动LED，能够灵活调整按键和LED等的设置，能够适用于其他型号超短波电台的模拟训练系统设计，具有较好的通用性。

[1] 陈树新，温祥西，邓妍．基于网络环境的电台模拟训练系统设计与实现[J]．科学技术与工程， 2008，8(15)：4335-4338．

[2] 禹华钢，周安栋，刘宏波．多线程语音通信在模拟电台通信中的应用[J]．火力与指挥控制，2010，35(3)：42-45．

[3] 谢铁城，达新宇，刘芸江,等．某电台网络模拟训练系统的设计与实现[J]．计算机测量与控制，2010，18(5)：1151-1153．

[4] 高晶，达新宇．基于无线传输的模拟电台训练系统设计[J]．微计算机信息，2008，24(8-1)：259-261．

[5] 高振斌，王仁智，卢飞，等.基于无线通信技术的超短波电台训练模拟器[J].河北工业大学学报，2012,41(4):22-25.

[6] 魏伟.船舶甚高频电台模拟器的研制与应用[J].中国航海，2010,33(1)：16-19.

[7] 王海，张李超，周伟光.基于STM32 与 PCAP01的激光切割头随动系统设计[J].电子技术应用，2016，42(6)：52-55.

[8] 王晨辉，吴悦，杨凯.基于STM32的多通道数据采集系统设计[J].电子技术应用，2016，42(1)：51-53，57.

[9] 孙晓晔，王程，成彬．基于TFTP协议实现STM32的IAP[J]．微型机与应用，2016，35(7)：76-78．

Design of simulation training system for ultra short wave radio based on STM32

Zhang Lei，Lu Huaping，Wang Fangchao

(Department of Watercarft Command,Zhenjiang Watercraft College,Zhenjiang 212003,China)

According to the training of ultra short wave radio equipment operation,simulation training system for ultra short wave radio based on STM32 and MAX7349 is proposed to solve the problems that the quantity of equipment is limited,loss of equipment is large for real equipment training,and it’s not good in operation experience for full software simulation training system.The human machine interface of the system is the same as the real equipment with the keys,LED,display unit and audio interface controlled by the microprocessor STM32.The human machine interface is connected to the computer using USB serial line to exchange data,and simulation of the equipment communication and the monitor and control of training process are fulfilled by the aid of the computer network.The system provides trainees with operating experience having no differences with real equipments and also provides trainers with every trainers’ basic situation during the training process.The system can be used to carry out mass concentration training while reducing cost and avoiding electromagnetic radiation and interference.

simulation training; ultra short wave radio; STM32; MAX7349

TP368

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.10.029

张磊，卢华平，王方超.基于STM32的超短波电台模拟训练系统设计[J].微型机与应用，2017,36(10)：99-101,105.

2016-11-21)

张磊(1984-)，通信作者，男，硕士研究生，讲师，主要研究方向：无线通信、移动通信、嵌入式设计。E-mail:jasilet@163.com。

卢华平(1979-)，男，硕士研究生，副教授，主要研究方向：无线通信、空间物理。

王方超(1984-)，男，硕士研究生，助教，主要研究方向：无线通信、移动通信、软件开发。