孟维晓 王北松 沙学军
[摘 要]：本文结合实际开发研究工作，给出一种数字加密集群系统手机的软硬件设计方案。手机硬件基础是一种半双工对讲机，利用其射频部分、键盘、液晶显示器，自行设计逻辑部分、数字加密模块的电路和程序，使之成为一种兼备普通对讲机功能的专用数字加密集群手机。
[关键词]：集群 数字加密 差错控制
1 概 述
目前，专用无线移动通信系统还没有实现数字话音，而对于模拟话音，如何防止被窃听一直是人们研究的课题。模拟加密方式通常是通过对模拟话音的移相技术来实现加密，然而，它的最大弱点是很容易找到解密的办法，因此这种加密方式仅仅适用于一般的专用通信领域。对于具有特殊业务的专用部门，它不但需要对话音加密，而且还要经常性地更换密钥，以不被找到解密的办法，这种要求只有数字加密方式可以做到。话音数字加密办法是首先将模拟话音数字化，然后与数字密钥进行特定的逻辑运算，再转化为模拟信号，进行发送；接收方正好是它的逆过程。这就需要系统的基站和移动台的密钥要保持高度一致，而如何确保密钥更换的有效性和可靠性，是另外一个值得研究的问题。
基于这种要求设计出的陆地专用无线移动交换系统是一种可对话音实行数字加密，并能实现每次通话使用不同密钥的集群通信系统。配合系统设计的手持机是以调度通信为主，兼备电话和寻呼功能，且明／密话兼容的便携移动通信设备。设计的意图是以一种现有的对讲机为硬件基础，用自行研制的手持机信令与逻辑控制板替换原有的逻辑控制板，用自行开发的控制软件完全替代原有的控制软件并附加保密模块，完成频率合成控制、键盘扫描、场强检测、液晶显示等原有功能和完成信令编解码、保密通信以及专用调度通信系统特有的功能。
2 信令与逻辑控制板硬件电路设计
设备主体采用当今市场上技术成熟、性能价格比高、键盘功能齐全、便于加入集群控制的VHF／UHF调频半双工对讲机，该对讲机可以内设最多16个频点，外部进行高／低功率选择、同频／异频切换、具有夜视灯开关。
硬件改造时手机原有高频部分不做改动，原有的逻辑控制完全由自行设计的电路替换，替换后的逻辑控制单元电路原理框图如图1所示。保密模块作为一个独立单元存在。
图1 信令与逻辑控制电路原理框图
2.1 功能设计
该集群系统手持机完全符合改进的陆地无线移动通信MPT－1327信令标准，采用快速移频键控FFSK，信息速率1200bit／s。软件完成射频部分的控制、数字信令的收发、键盘等外部设备的操作检测、BCH编码的前向纠检错、工作密钥的接收和重复码五取三大数判决等工作，并使其具有良好的可扩充性。手持机除了具备电话、调度、寻呼、回呼、模式切换、遇忙排队自动回叫、无线二次拨号等常规功能外，还具备动态临时编组、正常与故障开放、身份码任意改变、遥毙遥开、自动漫游登记、存贮显示拨号、自动重拨、脱网频对讲等特殊功能。
逻辑单元的功能：手机的逻辑控制围绕四位单片机uPD75316A展开，完成键盘扫描和液晶显示，进行信令的发送和接收处理，控制电台的工作频率合成、工作状态，检测外部条件，执行EEPROM的读、写与保密模块的通信，还同时完成数字信令的软件差错控制，工作密钥、短密钥的接收与容错处理等。
2.2 器件选择
(1)单片微处理机。uPD75P316A单片机是日本电气公司(NEC)生产的，适合于便携仪器设备嵌入式控制的微处理器。该单片机具有I／O口多，省电，片内带有16K字节ROM等特点。除此之外，uPD75316A四位单片机十分适合对液晶显示器的控制驱动和对键盘的扫描，这样原对讲机已有的液晶显示器和键盘可直接方便地用于新的逻辑控制电路中。CPU的输入输出口可以完成对外部状态的口检测、位检测、外部逻辑的控制。
(2)可电擦除式的数据存储器。手持机的一些关键性数据存储在掉电不丢失数据的可电擦除的存储器中。通过比较选择了EEPROM uPD6254，它与CPU的通信是串行方式，片选选定后，串行时钟、串行数据的时序与CPU的串行通信口一致。手机入网对应的一组频率由键盘编程直接键入后存入EEPROM中，CPU的串行通信口同时服务于频率合成器的控制，频率合成靠一串约定的串行码字，码字由CPU从EEPROM中读出并通过固定的运算公式运算得到。
(3)调制解调芯片。信令的收发和差错控制由CML公司的MPT1327专用FFSK调制解调芯片FX429完成。FX429的数据口线与键盘扫描线复用，外围器件的连接详见参考文献［1］有关FX429的数据手册。
2.3 保密模块的工作原理
保密模块自身也是一个由微处理器控制的智能工作单元，处于被动工作状态，完成对调制模拟音频信号的数字加密和对解调数字加密信号的解密。对话音信号加解密的密钥主体由主密钥、工作密钥和短密钥三部分组成。主密钥长时间更换一次，由网络管理员从手机外部注钥口注入。工作密钥短时间更换一次，由系统以无线信令方式下发，全体手机共同接收。为了可靠起见，系统采用重复码，即全部信息发送五遍，然后接收的手持机按五取三大数位判决方法，实现工作密钥的差错控制。短密钥在每次通密话之前下发，使得任意两次通话的密钥都不一样。CPU接收到的工作密钥和短密钥仍然要通过串行口传送给保密模块，串行口复用由片选线和多路模拟开关4053完成切换。
3 信令与逻辑控制板程序设计
3.1 微处理器资源的分配
(1)程序存储空间(ROM)。共16K字节，程序利用12K字节。
(2)数据存储空间(RAM)。4个区共1024×4位，现已利用3个区。
(3)输入输出口线。已经全部利用，部分口线复用，并充分利用LCD驱动功能。
(4)定时器。1个基本内部定时器，1个定时器／事件计数器，1个时钟产生器，已经全部利用。
(5)中断功能。
中断0，外部中断，没有外部触发，靠内部软件强行置位。主要用于键盘处理时双方协调工作；
中断1，外部中断，下降沿触发，用于信令收发过程中，FX429中断服务程序；
中断2，键盘中断，本CPU专门为键盘扫描而设计此中断功能，应用起来十分方便；
基本内部定时器中断，用于程序散转处理的基本定时；
定时器／事件计数器中断，贯穿于程序运行的始终；
串行口中断，在保密模块通信过程中使用。
(6)2kHz频率方波输出，用于各种提示音调的产生。
3.2 资源复用情况的说明
(1)部分RAM字节在分时操作情况下复用。
(2)PORT4和PORT5既用作FX429数据输入输出口，又用作键盘扫描的输入口，这里的分时操作以FX429数据输入输出为优先，FX429的读写操作是在中断中完成，而两次中断至少为6.67ms，可以用来处理键盘操作。
(3)功率控制口与手动信道旋钮检测口复用，手动信道旋钮检测口只有在对电台进行出厂测试转换信道时使用，而功率控制口只有在电台发射时使用，二者不会冲突。
(4)场强检测与键盘读入的口线复用，二者分别在两个子程序中使用，是两个互不相干的独立进程，复用不会出现冲突的问题。
3.3 主要程序流程
(1)接通手机电源，手持机就开始检测保密机是否正常工作，正常工作则检查工作密钥号，正确则开始不断的检索信令信道(频道按递增或递减方向改变)，在收到特定信号后，停留在检索到该信号的某一信道，并把此信道作为信令信道，准备接收和发射信令，若预定时间内未能捕捉到，则转入故障开放；检查工作密钥号不正确则显示ERROR。
(2)手机停在信令信道后，处于守侯状态，等待起呼与被呼。
(3)在主呼的请求信令和被呼的可用性检查信令中，均包含用户当前的密钥号，系统比较如与当前密钥不符，系统下发GTC转换信道后先重发工作密钥，用户接收正确后传给保密模块，进行正常通话。短密钥在发GTC信令或摘机确认信令时传送给用户。
(4)手机发出主呼叫，在5秒内收到基地台发来的信道指令则跳到基地台分配的话音信道，如果没有收到信道分配指令或收到的信令与自己的本机标识码不同，就继续寻找信令信道。在信令信道上守侯时，如果接到含有本机码的信令，便能够跳到通话信道并振铃。
(5)在振铃后的30秒内按下PTT时，被叫停止振铃，进入通话状态，振铃超过30秒，被叫仍没有按下PTT，手机自动停止振铃并跳回信令信道。
(6)无线用户主呼时，明／密话由主呼方控制；有线用户主呼时，工作在密话状态。
(7)手机主呼有线并跳到话音信道后，按键发码，可以听到各种拨号音。
(8)通话结束后，按LAMP键拆线。按键时，不需按下PTT。
(9)在信令信道上守侯时，可以进行模式切换，进入寻呼模式。
手机控制软件有四大部分，即主程序、事件子程序、信令处理程序和工作密钥处理程序。由于文章篇幅所限，仅给出主程序(见图2)和工作密钥处理(见图3)两个主要流程。
图2 主程序流程图
图3 密钥处理流程
4 结 论
整个手持机的软件设计和调试工作已经全部结束。经过了实验室内，在仿真系统上的运行、测试，并通过了现场长时间试运行考机，说明该设计方案的合理性以及软硬件设计的正确性和可靠性，能够完成预定的功能，达到了预期的设计目标。
作者单位：哈尔滨工业大学
参考文献
1 CML Integrated Circuit Data Book,Edition3，1994.
2 uPD75308 4-BIT SINGLE-CHIP MICROCOMPUTER
USERS MANUAL.Date Published，October，1993.
3 张毅刚等.MCS－51单片机应用设计.哈尔滨工业大学，1990.8.
摘自《移动通信在线》
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