基于STM32F407和MAX7349的超短波电台模拟训练系统设计与实现
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。
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。
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。
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
2.1stm32f407介绍
stm32系列微处理器基于arm cortexm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、数据采集、网络通信等领域。本系统硬件模拟器微处理器选用stm32f407，基于32位arm cortexm4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。
2.2usb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。
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。
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tl78005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tlv111733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。
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。
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。
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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。
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。
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