项目名称：E-DMR数字对讲机芯片
文件编号：HR3.002.8008.--
项目编号：HR3.002 秘 密
硬件电路设计说明书V3
文档版本号3.0
编 写 人：赵 华
编写时间：2009-9-17
部 门：系统部 审 核 人：陈沪东、
审核时间：
修订历史（Revision History）
编号 修订内容描述 修订日期修订后版本号修订人
1 赵华
2 赵华
AD/DA以及电源设计，去除FM3 2010-3-153.0 赵华
批准人 陈沪东
目 录
1. 引言....................................................................................................................................................1
1.1.
1.2.
1.3.
1.4.
2. 编写目的....................................................................................................................................1 产品背景....................................................................................................................................1 定义............................................................................................................................................1 参考资料....................................................................................................................................1 硬件系统概述....................................................................................................................................3
2.1.
2.2.
2.3. 功能需求....................................................................................................................................3 总体方案....................................................................................................................................3 系统接口....................................................................................................................................4
3. 硬件系统详细设计............................................................................................................................6
3.1. 处理板详细设计........................................................................................................................6
3.1.1. 处理板指标........................................................................................................................6
3.1.2. 处理板功能模块说明........................................................................................................6
3.1.3. 关键元器件......................................................................................................................11
3.2. 射频板详细设计......................................................................................................................12
3.2.1. 射频板指标：..................................................................................................................12
3.2.2. 射频板功能模块说明......................................................................................................12
3.2.3. 关键元器件......................................................................................................................12 4.
5. 开发环境..........................................................................................................................................13 附录..................................................................................................................................................14
1. 引言
1.1. 编写目的
本文档是E-DMR开发板V3.0的硬件设计说明文档，它详细描述了整个硬件模块的设计原理，其主要目的是为E-DMR开发板的原理图设计提供依据，并作为PCB设计、软件驱动设计和上层应用软件设计的参考和设计指导。
1.2. 产品背景
无线对讲机由于具有即时通信、经济实用、成本低廉、使用方便以及无需通信费等优点，因此广泛应用在民用、紧急事件处理等方面。尤其在紧急事件处理以及没有手机网络覆盖的情况，对讲机更加显示出它的不可取代的地位。如今，模拟对讲机仍然占据绝大部分的市场，但是由于数字通信可以提供更丰富的业务种类，更好的业务质量、保密特性和连接性，以及更高的频谱效率，因此数字对讲机的研究、生产和使用是与时俱进的，符合信息化、数字化发展的必然趋势。
DMR（Digital Mobile Radio，数字移动无线电）协议是欧洲电信标准协会(ETSI)于2004年所提出的一种新型的数字集群通信协议，具有很好的发展前途。
本系统就是基于DMR协议的开发板，主要是满足HR3.002项目组的芯片代码验证，同时也能实现开发板的数字对讲和短信收发等功能。
1.3. 定义
HR：HongRui（宏睿）
DMR： Digital Mobile Radio（数字移动无线电）
ARM：Advanced RISC Machine（进阶精简指令集机器）
FPGA：Field Programmable Gate Array（元件可编程逻辑门阵列）
1.4. 参考资料
Datasheet: XC3SD3400A FPGA
Datasheet: LPC2368 ARM
Datasheet: AD9218 ADC
Datasheet: AD9763 DAC
Datasheet: CMX638 声码器
Datasheet: AMBE3000 声码器
Datasheet: XCF16P Xilinx配置芯片
Datasheet: TPS54286 开关电源
Datasheet: TPS73618 线性电源
Datasheet: REG113NA-5 线性电源
Datasheet: CP2102 USB转串
Datasheet: LEA-5S GPS模块
Datasheet: DS18B20 温度传感器
Datasheet: ADXL323 加速度传感器
Datasheet: LM128128CBY
Datasheet:
Datasheet:
Datasheet:
Datasheet: GT21L16S2Y ALC5621 Codec 25LC512 EEPROM DS3904 LCD 数调电阻 标准点阵汉字字库芯片
2. 硬件系统概述
2.1. 功能需求
¾ 芯片测试功能
提供芯片MS功能为基础的FPGA资源，提供LED指示、测试按钮、硬件测试IO和拨码开关，提供配置芯片，提供软件测试IO，提供参数和数据通道。
¾ 语音通道功能
提供CMX638和AMBE3000的两套独立语言编解码方案，提供MIC、Line IN、耳机、喇叭通道和接口，提供提示音接口。
¾ 人机交互功能
提供24个按键的标准键盘，提供128×128点阵STN屏，提供音量、频道选择按钮，提供GB2312标准字库。
¾ 存储功能
提供512kbit的E2PROM存储空间供本机信息的存储。
¾ 信息采集功能
提供电量信息，提供信号强度指示，提供板子加速度指示，提供本机工作温度指示，提供RTC时钟。
¾ 电源管理功能
采用7.2V供电，合理分布产生5V、3.3V、1.8V、1.2V电压。
¾ 射频通道功能
射频通道符合射频指标要求，符合TDMA工作条件，符合芯片射频多种对接模式。
¾ 辅助功能
提供振动提示，提供GPS接口，提供USB转串口接口，提供PC机专用设置软件。
2.2. 总体方案
本硬件平台是为HR_C5000芯片提供一个开发平台，也为以后的数字对讲机整机方案做一个技术铺垫。本方案设计中，采用FPGA+AD/DA+语音Codec构成HR_C5000的原型，外围配备的电路以对讲机厂家较常采用的方案作为参照，从而保证在HR_C5000 经过MPW形成样片后，能够直接采用本开发平台的方案实现给用户的最终解决方案。
DMR开发板的总体硬件系统构架按照功能分为以下几个部分：电源模块、信号处理模块、音频编解码模块、语音Codec模块、人机界面和传感器、射频模块和GPS模块等。其中信号处理模块使用FPGA实现调制解调；音频编解码模块采用CMX638和AMBE3000两个方案；语音Codec采用
ALC5621；人机界面使用ARM7进行管理，处理按键、旋钮、数据存储及界面的显示等；传感器组识别电压、温度、加速度、信号强度等参数。其总体硬件架构图如图 2.1所示：
图 2.1：总体硬件构架
2.3. 系统接口
系统对外接口如表 2-1所示： 接口项目
音频插座
音频插座
喇叭插座
测试地
振动马达
Mini USB
ARM JTAG
FPGA JTAG
RF 表 2-1：系统接口 描述 原理图位号 接口形式 J501 音频Line IN输入 带常开开关3.5mm音频插座 J502 耳机输出 带常开开关3.5mm音频插座 LS501 喇叭输出 1X2，2.54mm间距弯插针 P102,P103,P104 地插针 1X2，2.54mm间距插针 P205 振动马达的接口 1.27mm间距，两针弯连接座 USB 连接PC的Mini USB接口 P201 ARM的JTAG口 2X10，2.54mm间距插针 P301 FPGA的JTAG口 1X6，2.54mm间距排针 FPGA的测试接口 2X12，2.54mm间距排针 GPS天线的接口 SMA直插 P204 连接射频板的接口 2X16，2.54mm间距弯排母
硬件电路设计说明书 秘密 标准适配器母头 7.2V电源输入
3. 硬件系统详细设计
3.1. 处理板详细设计
3.1.1. 处理板指标
根据E-DMR项目的需求，处理板的指标要求如表 3-1所示： 表 3-1：处理板指标
工作温度℃
存储温度℃
单板尺寸×160mm
70db 发送信号信噪比
-15dbm 信号发送功率
DA速率基带)/4.9152MHz(中频)
-51~-15dbm 信号接收功率
AD速率基带)/ 4.9152MHz(中频)
9.8304 MHz FPGA工作时钟
CPU工作时钟晶振，48MHz处理时钟
μcOS II 操作系统
操作界面 菜单操作
按键指标个标准按钮，要求按键次数>2万次
音量旋钮 带开关电位器，电压范围0~3.3V
频率旋钮位Gray码编码器开关
USB接口 标准Mini USB接口，符合USB2.0标准
视频显示×128点阵，刷新率>25Hz
MIC差分输入，MICBIAS=3.3V 音频输入 Line IN输入
耳机输出，P=45mW 音频输出 喇叭输出，P=1W
音频压缩& AMBE+2标准，码率为3.6Kbps
电压监控要求 四格电量指示，精度指标为
温度监控 精度
加速度监控 范围±3g，300mV/g，(g=9.8N/kg)
3.1.2. 处理板功能模块说明
3.1.2.1. 信号处理模块
根据E-DMR项目组代码所需要的资源，选用了Xilinx的Spartan-3A 3400 DSP，型号为XC3SD3400A， XC3SD3400A具有23872个Slices，126个18k的Block RAM，封装形式为FG676，最多469个GPIO。
配置芯片选用了Xilinx的Platform Flash——XCF16P，该芯片的容量为16Mbit，支持串行方式和并行方式，本系统当中我们选用了主串行的方式。
FPGA与ARM之间的接口包括一组SSP，一组SPI，一组串口以及五个中断。其中SSP用于参数的配置和数据交换，SPI用于语音的传输，比如开机提示音。
FPGA与ADC之间的接口包括两路10bit数据，两个时钟信号，一个休眠信号，其中ADC的时钟由FPGA的PLL供给。
FPGA与DAC之间的接口包括两路10bit数据，四个时钟信号，一个休眠信号，其中DAC的时钟由FPGA的PLL供给。
FPGA与Codec的接口包括一组I2S总线，其中I2S总线的主时钟由FPGA的PLL供给。
FPGA与声码器的接口包括两组，一组与CMX638相连，另一组与AMBE3000相连，其中与CMX638的接口包括C-BUS、SPI以及其他一些信号，与AMBE3000的接口包括McBSP、SPI以及其他一些信号，其中AMBE3000的时钟由FPGA的PLL供给。
另外从FPGA的I/O引出一组20bit的测试脚，8bit的LED指示灯以及8bit拨码开关。
3.1.2.2. 人机界面和传感器模块
处理器采用了NXP公司的LPC2368。它是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7处理器，并带有512kB嵌入的高速Flash存储器和32kB静态RAM；带有1个6路10位的A/D转换器；带有1个10位的D/A转换器；带有多个串行接口，包括4个标准UART、4个高速I2C总线（400kbit/s）、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。
处理器的作用是系统的控制以及人机界面的实现，是操作系统的运行平台，操作系统选用嵌入式系统中较为常用的μcOS系统。主要功能有：液晶的显示控制，键盘的输入采集处理，温度、电量、加速度、信号强度的信号采集处理，字库及外挂E2PROM的控制处理，频道及音量的控制，GPS导航模块的信号处理，FPGA接口的实现，与PC机的通信以及对射频模块的控制等。
液晶采用了Topway公司的LM128128CBY液晶屏，该液晶屏是一款128*128点阵，黄绿底黑字的带背光的STN液晶屏，外形尺寸为35.6mm×38.5mm×2mm（宽×高×厚），点大小为0.21mm*0.21mm，支持黄绿色背光，背光工作电压为3.3V，背光工作电流为40mA。该液晶屏采用多种数据接口，本系统采用的是3线SPI接口方式。由于该液晶屏本身不带中文字库，因此本系统外挂了集通公司的标准点阵汉字字库芯片GT21L16S2Y，采用SPI口与CPU相连。该芯片是一款内含11X12点阵和15X16点阵的汉字库芯片，支持GB2312国标简体汉字（含有国家信标委合法授权） 、ASCII字符及GB2312与Unicode编码互转表。该字库芯片内含GT快捷拼音输入法码本，配合集通公司的输入法程序，实现数字小键盘IT产品的汉字快捷输入。
键盘采用普通的3×8按键阵列，共24个按键，其中PTT等三个在侧面的按键使用侧向按键。键盘的输入采集方式为中断和扫描，3列中断，8行GPIO。
E2-PROM使用Micro Chip公司的25LC512，容量为512kbit，参数的存储主要使用外挂的E2-PROM，
与ARM的接口为SPI。
频道旋钮使用16位Gray码编码器开关，每一位对应一个频道，音量旋钮使用带开关的电位器，开关用于开发板的电源开关，电位器对3.3V分压，通过ARM自带的ADC采样后，将电压值对饮的音量写到Codec的音量控制寄存器中。
本系统的对外接口采用串口的方式，为了减小体积及增加接口的通用性，采用了USB-UART的桥接电路，芯片采用Silicon公司的CP210x，该电路的集成度高，内置USB2.0全速功能控制器、USB收发器、晶体振荡器、EEPROM及异步串行数据总线（UART），支持调制解调器全功能信号，无需任何外部的USB器件。功能强大，采用MLP-28封装，尺寸仅为5mm×5mm，占用空间非常小。
GPS模块选用ublox公司的LEA-4T GPS模块，该模块可直接焊在PCB上，与系统形成整机。该模块自带FLASH，具有卫星的秒脉冲输出，时间精度为15ns，还具有非常好的室内检测效果。
传感器组主要包括温度、电压、加速度和信号强度传感器。温度测量采用DS18B20传感器，精度为0.1℃，采用1-wire方式和ARM相连。电压测量用于监测电池的电量，采用ARM的ADC对电池测量电压，根据不同的电压值将电池电量分为四档，当电压（电量）低于某个值时报警，提示需要充电。加速度传感器采用ADXL323，具有±3g的测量范围，精度为300mV/g。信号强度传感器用于测量射频板的信号强度，使用ARM的ADC对射频板的信号强度脚进行电压的测量，根据不同的电压值得到信号强度。
3.1.2.3. AD/DA转换模块
AD/DA的作用主要是将FPGA调制解调的信号发送给射频板或将射频板的信号接收并送与FPGA进行调制解调。
AD转换器采用ADI公司的AD9218。它是一款双核、3.3 V、10位的ADC，集成了两个高性能采样保持放大器和一个基准电压源。它采用多级差分流水线架构，内置输出纠错逻辑，在最高数据速率时可提供10位精度，并保证在整个工作温度范围内无失码。
DA转换器采用ADI公司的AD9763。它是一个双端口、高速、双通道10位CMOS DAC，每款器件均集成两个高品质TxDAC+内核、一个基准电压源和数字接口电路，采用48引脚小型LQFP封装。它提供出色的交流和直流性能，同时支持最高125 MSPS的更新速率。
3.1.2.4. 声码器模块
方案1. CMX638：
CMX638是一款高集成，高性能全双工语音编解码器，采用鲁棒的先进低复杂性波形插入技术，提供超低位速率下长话级音质性能，且具有FEC(前向纠错)、SDD(软决策解码)、DTX(非连续发送检测)、VAD(语音激活检测)、CNG(舒适噪声发生)、STD和DTMF信号检测功能。因此，该语音编解码器可广泛用于语音存储和回放、VoIP、数字PMR/LMR、再生数字语音中继等领域。CMX638的内部结构包括模拟和数字两部分，当端口CSEL输入低电平时，即选择使用外部语音解码器(Codec)，可通
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过串行接口SSP 与外部器件交换数据，编码器和解码器选择片外Codec的数据通道，端口EEC和REC输出分别使能和复位片外的Codec；当CSEL输入高电平时，CMX638选用内部CODEC模块，该模块包括输入／输出通道的可编程增益放大器(PGA)，16位PCM A／D和D／A转换器以及通带频率为4 kHz的低通滤波器，可有效实现模拟信号转换成数字信号及数字信号转换成模拟信号的过程。主机通过控制总线C-BUS接口配置内部寄存器，实现不同功能；端口SYNC使主机与CMX638同步；语音压缩编码器将源信号压缩成低比特率的数据帧，解码器把数据帧解压缩，恢复源信号；如果使用FEC功能，开关则选择前向纠错编码器和解码器，两者加入到数据的压缩和解压缩过程中：STD／DTMF管理模块提供语音信号的特殊处理功能，实现单音或双音检测，提高语音压缩和解压质量。在本系统中采用外置Codec的方案。
方案2. AMBE3000：
AMBE3000是一款高性能的多速率语音编解码芯片，其压缩后的数据速率在2.0～9.6kps范围内可调，以适应不同信道速率的需要；另外，对于不同误码率的信道，AMBE3000的话音数据/纠错数据配置也可以进行选择:当信道误码率较高，可适当提高纠错码的速率(降低话音数据速率)；当信道误码率不太高时，可适当提高话音数据/纠错数据配置比，以得到最佳的语音效果。
并口等，在本系统中CodecAMBE3000与Codec、MCU有多种连接方式，比如SPI、McBSP、I2C、方式采用SPI接口，Packet方式采用McBSP接口。
3.1.2.5. 语音Codec模块
由于声码器是将数字语音信号进行编解码，而声音都是模拟信号，因此还需要将语音数字化。本系统使用Codec将语音数字化，Codec选用了Realtek公司的ALC5621，ALC5621是一款带有多个输入输出端口的高集成语音Codec，并集成了1W的A/B类和D类音频功放，采用I2S接口，非常适用于移动设备。
3.1.2.6. 复位及时钟处理单元
FPGA与ARM由专门的按键进行复位，其余芯片通过FPGA或者ARM进行复位。其中，FPGA还可以通过ARM进行复位，具体的复位方式及衍生关系如图 3.1所示：
根据E-DMR项目的需要，FPGA时钟使用9.8304MHz，与其相关的芯片时钟全部由FPGA的PLL供给，ARM和CMX638的时钟使用12MHz。具体的系统时钟及衍生关系如图 3.2所示：
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图 3.1：系统复位及衍生关系
图 3.2：系统时钟及衍生关系
3.1.2.7. 电源模块
电源保护及开关
电源保护主要从三个方面考虑：过压、过流和倒接。
过压保护采用TVS管串接到地，TVS管选用VISHAY公司的SMAJ7.5A TVS管，它的标称电压为7.5V，导通电压为8.33V~9.21V，因为本系统用的电源电压为7.2V，采用锂电池供电时还有一个电压的波动范围（一般充满电时可能达到8V），因此选用这个型号还是比较合适的。
过流保护采用了最常规的保险丝方式，保险丝选用自恢复式保险丝，俗称万次保险丝。本系统选用工作电压8V，熔断电流2A的保险丝。保险丝的作用主要不是防止工作电流过大，而是防止短路。
防倒接保护采用了反接二极管的方式，二极管的型号选用1SR154-400（也可以选用参数接近的二极管）。电源正接时，二极管不导通，系统能正常工作，当电源反接时，二极管导通，电流直接经过二极管而不经过系统，起到保护的作用。
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电源开关采用P-MOS实现制输入电源的通断，使用音量开关（带开关电位器）开机或关机。开机时，MOS管导通，所有芯片上电；关机时，CPU去控制P-MOS管的关断，当所有需要的数据宣布保存以后，CPU再让MOS管关断，实现安全关机。
电平转换
本系统的供电电压为7.2V，需要使用的电压有1.2V、1.8V、3.3V，5V。处理板所有芯片在最坏情况下功耗需求如表 3-2所示：
表 3-2：最坏情况下的功耗需求 QT. 1.2V 1.8V 3.3 5V 序号 器件名称
1. 325mA 165mA (静态) 2. 125mA (静态) 3. 4. 5. 60mA 11.3mA 6. 90mA 42mA 7. 10. 11. 10mA 18mA 12. 13. 14. 17. 振动马达 晶振 19 325mA 160mA 1080mA SUM
备注：ALC5621中的1300mW为内置音频功放的最大功率
根据前面的功耗分析，采用以下几种电平转换芯片：TPS54286、TPS73618和REG113NA-5。其中TPS54286为DC-DC，双路输出，最大输出电流为2A，在本系统中设置输出为1.2V和3.3V，1.2V用于FPGA的核供电，3.3V用于整版供电。TPS73618和REG113NA-5为LDO，输出电压分别为1.8V和5.0V，最大输出电流为400mA，1.8V用于FPGA配置芯片和两片声码器的核供电，5.0V用于射频板的供电，其中TPS73618的输入电压选用3.3V。
上电顺序需求
由于AMBE300的核电压1.8V和接口电压3.3V有上电顺序要求，故电源设计的时候3.3V的启动
要早于1.8V，否则音频的编解码可能会出错。
3.1.3. 关键元器件
序号 12器件名称 表 3-3：关键器件清单 描述 封装
数量 单价 总价
电平转换
电平转换 11杭州宏睿通信技术有限公司
[***********]5171819电平转换
CPU
串行EPROM GT21L16S2Y 字库芯片 LM128128CBY液晶屏 CP2102 USB转UART LEA-4T GPS模块 温度传感器 数字变阻器 ADXL323 加速度传感器 CMX638 音频编解码 ALC5621 语音Codec AMBE3000 音频编解码 XCF16P FPGA配置芯片 LQFP100 ST-48 FG676 1 3.2. 射频板详细设计
3.2.1. 射频板指标：
3.2.2. 射频板功能模块说明
3.2.3. 关键元器件
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杭州宏睿通信技术有限公司4. 开发环境
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