打开文本图片集
摘 要： 由于当前安防领域里防毒面具不易进行有效通信问题，设计一种融合ARM和DSP的防毒面具的无线通话控制系统。以抗干扰、低功耗和耐高低温三因素为基准，声源经过EFM32系列ARM，BR261系列DSP和TP2015D1音频放大器处理，最终输出高质量的音频信号。通过LeCroy示波器波形分析表明，该系统可识别人声和呼吸气流声，最大工作电流Imax<200 mA，关闭声源放大器时，最大电流Imax<30 mA，满足低功耗工作要求，声源输出稳定清晰，具备一定抗静电强磁干扰能力。
关键词： 防毒面具； 无线通话； 低功耗通话系统； 音频放大
中图分类号： TN911⁃34； TN923 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）18⁃0084⁃04
Abstract： In view of the problem that it is difficult for the gas mask in the security⁃protection field to realize effective communication， an ARM and DSP based wireless call system for gas mask was designed， which takes anti⁃interference， low⁃power consumption and high/low temperature resistant as its baseline. Its sound source is processed by EFM32 series ARM， BR261 series DSP and TP2015D1 audio amplifier， and the high quality audio signal is output at last. The analysis results from LeCroy oscilloscope show that the system can recognize the talking voice and airflow noise from breathing. Its maximum working current is less than 200 mA， and the maximum current is less than 30 mA when its audio amplifier is closed. It can meet the requirements of low⁃power consumption， and stable and clear sound source output. It also has a certain ability of antistatic and strong magnetic interference.
Keywords： gas mask； wireless communication； low⁃power consumption call system； audio amplifier
0 引 言
众所周知，防毒面具是防止有毒物质伤害的个人防护器材，其广泛应用于军事、消防、救灾等安防领域。由于防毒面具密闭特性，导致人员之间不能较好地进行通话，特别是在更加复杂的环境中，难以进行有效通信[1]。
国内外关于防毒面具通信问题的研究历程已较为深远。最初，大多数是依靠通话膜和传声器来传递人声，但通信效果并不佳，尤其是在恶劣的特殊应用环境下，更加阻碍了人与人之间的通信；其后，国外使用电声放大器来进行通信，所采用放大器，由于在极端恶劣环境下性能不稳定、功耗大、效率低，不能长时间通话，因此也没有得到较好的通信效果[1]。目前国内外市场上防毒面具产品种类颇多，比如3M、百安达、Honeywell等安防产品供应商，其防毒面具产品侧重于安全防护和材料性能方面，在通话方面仍沿袭以往的通话膜和传声器来实现此功能。
文献[2]采用语音编码和跳频技术开发出一种防毒面具内置的无线通话终端，此终端系统实现有以下难点：第一，跳频通信需采用合理的跳速和语音编码速率才能确保具有良好的抗干扰性能；第二，需要采用独特的噪声抑制算法才能保证减小防毒面具本身的振荡回声；第三，难以做到内部数据的正确传输和信道的同步，有一定误码率。总之，这种无线通信终端虽可以解决短距离通信问题，但在工程领域实现的通信质量不佳。
文献[3]利用内置的数字对讲机进行通信，在远距离能够实现较好的通信。数字对讲机由音频模块、控制模块和射频前端模块组成。在结构方面，对讲机与防毒面具在设计上合为一体，会加重防毒面具的整体重量，佩戴不方便。在通信方面，射频通信本身抗干扰能力不强，语音数据传输过程中容易丢失，不能保证数据的正确传输。而且，收发双方是否能够占用不同的时隙实现收发转换，在射频前端模块能否实现全双工对讲没有具体说明。
纵观国内外防毒面具的发展史，针对应用环境复杂多变，佩戴防毒面具不易通信问题，本文设计一种基于DSP和ARM的防毒面具无线远程通话系统，用于佩戴防毒面具时进行通话交流，系统包括主、副两种通话系统模式。主通话系统为音频放大器，可解决短距离通信问题；副通话系统与步话机连接，可实现远距离通信问题。该系统在抗干扰性能、功耗、效率、通信效果方面作了优化处理[4⁃5]，弥补了传统防毒面具市场无专门通信解决方案。
1 系统整体设计方案
本文目的在于提出一种具备一定抗干扰性、低功耗、耐高低温（60 ℃/-30 ℃），具有主、副通话模式的优点的防毒面具无线远程通话系统。
為了实现以上目的，对防毒面具无线通话系统整体方案作如下阐述：该系统由主通话和副通话系统两部分组成。主通话系统由麦克风（MIC⁃Phone）、电源模块（Battery Moudle）、ARM控制模块、声源处理（DSP）模块、声源放大（Audio AMP）模块、电源指示逻辑（LED）模块、扬声器（Speak）组成。副通话系统由麦克风（MIC⁃Phone）、信号接口模块、便捷开关按钮、耳机接听模块、步话机组成。主、副通话系统架构图如图1所示。
其中，主通话系统主要为音频放大器，可实现短距离通信（3 m范围内声音不低于70 dB）。在主通话系统中，电源模块给ARM，DSP和声源放大模块供电，ARM控制模块监控电源电压工作状态，通过LED电源指示模块显示该系统的工作状态，且调用声源处理（DSP）模块对麦克风输入人声信号进行处理，再经过声源放大（Audio AMP）模块进行放大处理，最终输出给扬声器（Speak）；LED电源指示模块是显示主通话系统的工作状态，包括休眠状态、工作状态和低电压报警状态。
副通话系统通过信号线与防爆型步话机连接，可解决远距离通信问题。信号接口模块一方面是通过信号线连接步话机以便通信，另一方面通过采样电路使输入语音信号最大限度无失真传递给对方；便捷开关是在信号线上安装的步话机通信按钮，便于佩戴该防毒面具人员使用步话机；耳机接听模块是指使用耳机接听装置能够更清晰地接听对方语音。
2 主模块详细设计与分析
2.1 电源模块设计
如图2所示，电源模块电路设计图。主通话系统采用3节干电池供电，初始电压值约为4.5～5.5 V，经过限流保护、滤波降噪、低压监控处理，最终输出两种电压值，一方面提供3.3 V电压给DSP和ARM，另一方面提供4.5～5.5 V给ARM控制ADC电源监控和声源放大模块。
为达到低功耗和高效率电源输出目的，电源模块最大输入电流为500 mA，采用Litteluse公司0805L50 PTC可重置保险丝进行过流保护；由于磁珠相比电感具有较好的消除高频效果，所以采用600 Ω的磁珠进行高频滤波处理；再通过EMI静噪滤波器处理，抑制电磁噪声干扰。在电路中采用TPS4898PDRYR低电压监控芯片，让ARM控制低电压小于3.0 V时关断通话系统。DC⁃DC部分选用Micrel公司双同步800 mA降压DC⁃DC稳压芯片MIC2230⁃AAYML，能够输出稳定的3.3 V。
2.2 ARM控制电路设计
为满足通话系统超低运行和待机功耗、快速运行等条件，ARM选用Energy Micro公司基于32位ARM⁃CortexM3节能内核的EFM32TG110F芯片[6]，共有EM0～EM4五种低功耗模式，EM2模式下，待机功耗仅需900 nA，比传统ARM具有更高的处理性能和更低能耗。可以由外部I/O，I2C通信接口等方式唤醒。主控制器ARM硬件电路设计如图3所示。
EFM32TG120F工作电压范围为1.8～3.8 V，电源模块提供3.3 V稳定电压，5 mA最大输入电流。12 b ADC对电源输入电压VBT_IN（3.3～5.5 V）采样监控，在电压小于3.0 V时，启动软开关关闭主通话系统，同时启动绿色LED（闪亮）进入报警模式。ADC对DSP处理后的声源信号采样处理，辨别防毒面具内部气流声和人声，转换为电压信号输出，若为气流声，对此声源不做放大处理，即输出声源放大使能信号（EN）为低电平。
2.3 DSP和声源放大控制电路设计
如图4所示，防毒面具内部安装麦克风（MICPhone），人声通过麦克风输入到音频处理DSP模块（最大输入电流500 μA），DSP选用安森美BR261系列芯片[7]，内部集成高度优化的数字信号处理器DSP和先进噪声消减算法，提升嘈杂环境下的语音清晰度和逼真度。声源放大芯片采用TI公司TPA3015D1YZHR芯片[8]，是一种2 W单声道D类音频放大器，具有在低电压3.6 V时依旧可恒定输出2 W功率，从而保持放大声源稳定输出，且完全具备低功耗标准[9]。
3 数据分析及可靠性验证
文中提出了基于ARM和DSP的防毒面具无线远程通话系统，对设计电路模块提出以下测试标准：第一，测试模块输入电压纹波、效率以及输入电流变化；第二，验证低功耗工作模式，即在正常声源放大状态，最大工作电流不超过200 mA，不开启功率放大器时，电流不超过30 mA；第三，验证ARM识别人声和呼吸气流声；第四，在静电强磁、高低温（60 ℃/-30 ℃）环境下，验证系统能否正常工作；第五，开启30 h时间连续工作模式，验证电池电量消耗总时间。搭建通话系统实验测试场景，搭建模拟人声测试环境，提供MIC⁃Phone音频输入信号，给主、副通话系统供给3节干电池，利用LeCroy示波器对电路模块主要信号点进行测试验证，辅佐仪器有Fulke⁃15B万用表、静电枪、高低温循环设备等，限于研究成果进展，对通话系统电路模块作如下实验验证分析。如图5和图6所示，对麦克风MIC分别输入人声和气流声时，DSP输出、声源放大器AMP以及输入电流的变化。图5中，MIC输入人声时，通过输入电压波形跳变，ARM控制DSP输出处理后的人声，DSP输出后，功放打开，对人声进行放大。图6中，当MIC输入为呼吸和气流声，此时MIC输入平均电压Umean=752 mV，通过ARM对输入声源的判别，即电压有无明显变化来判别人声和呼吸气流声。从图6可以看出，声源放大芯片使能电平没有跳变，没有对该声源信号进行放大处理，此时关闭放大模块，电流为5.1 mA（小于30 mA），依旧处于低功耗模式。
DSP对声源信号的处理效果图如图7所示。如图8所示为声源输入输出波形图。从图7和图8可以看出，DSP消噪效果较好，工作电流低于200 mA。图8中，MIC输入平均电压Umean=1.945 3 V，输入电流Imean=61.5 mA，Speak输出Umean=1.003 V，且Speak与MIC纹波峰值减小751 mV-318 mV=433 mV。可以看出，Speak输出声源得到了有效的消噪和抗干扰处理，且工作时平均电流仅为61 mA，处于低功耗工作状态。
4 结 语
本文实现了一种基于ARM和DSP的控制防毒面具无线远程通话系统，弥补了在该领域里无法有效通信的问题。文中以抗静电强磁干扰、低功耗和耐高低温为标准，采用低功耗高效率输出的集成芯片，经过多次实验证明，实现了对声源信号的有效处理，提供了一种在安防领域的有效无线通话系统，解决了佩戴防毒面具人员不易通话问题。可应用于军工、消防等安防领域；在应用场景、性能和效率等方面具有一定实践价值。
参考文献
[1] 冯冬云，王勇.国内外防毒面具的应用现状综述[J].安防科技，2012（3）：30⁃35.
[2] 赵军民，易平波.一种基于防毒面具的通话系统[J].现代电子技术，2010，33（23）：30⁃32.
[3] 朱良学.一种防毒面具内置的数字对讲机： CN201120365193.2[P].2011⁃09⁃28.
[4] 秦丽，潘峰，孟令军.面向声定位的低功耗音频信号采集系统的设计与实现[J].仪表技术与传感器，2009（2）：56⁃57.
[5] 成城，韩赞东.基于DSP和ARM的音频处理系统设计[J].微计算机信息，2007，23（3⁃2）：147⁃149.
[6] Anon. EFM32TG110F datasheet [EB/OL]. [2013⁃11⁃22]. .
[7] Anon. Belasigna R261 datasheet： advanced noise reduction solution for voice capture devices [EB/OL]. [2012⁃09⁃10]. http：//onsemi.com.Semicondutor component industries， LLC.
[8] Texas instruments. 2W constant output power class?D audio amplifier with adaptive boost converter and battery tracking [R]. USA： Texas instruments， 2011.
[9] 张玮，刘宇，薛志远，等.基于SPI总线的DSP与音频编解码芯片的接口设计[J].电子技术应用，2013，39（6）：31⁃33.