基于DTMF技術的一鍵導航系統設計

黃冠明　王志強　溫志英

摘 要：文章介紹了一種基于DTMF技術實現一鍵導航系統的設計方案。利用車載終端藍牙與用戶手機藍牙配對，實現與后臺服務中心通訊，通過DTMF傳輸導航指令，實現導航功能。該系統成本低、性能可靠，已得到實際應用。

關鍵詞：藍牙、雙音多頻、一鍵導航

引言

在車輛行駛過程中進行導航路徑規劃是非常危險的行為，因此很多企業推出了一鍵導航系統，即駕駛員只需按下一個按鍵（稱之為“一鍵通”），告訴后臺服務中心路線要求，即可由后臺座席協助完成路徑規劃。通常一鍵導航系統的車載終端需要配備通訊模塊，以實現和后臺的通訊。考慮到車載終端已基本將藍牙作為標配，在和用戶手機藍牙配對后，可實現與后臺服務中心通訊，通過DTMF（Dual Tone Multi-Frequency，雙音多頻）傳輸指令，可實現車載終端一鍵導航功能。

1 一鍵導航原理

在藍牙配對之后，當一鍵通被觸發時，終端系統自動發送后臺服務中心號碼給藍牙撥號程序，通過用戶手機撥打后臺服務中心。在通話過程中，后臺導航指令通過DTMF經藍牙發送到車載終端，車載終端自動進行路徑規劃，實現一鍵導航。車載終端和后臺服務中心均配有DTMF編解碼器，以實現導航指令的順利傳輸與解析。

2 設計概念及操作流程

藍牙一鍵導航的基本設計思想是通過藍牙模塊，借助DTMF編解碼器實現一鍵導航的功能。具體實現：

2.1 用戶通過藍牙手機撥打服務中心電話，告知要去的目的地，座席根據用戶目標地址，讀取地圖經緯度，生成DTMF數據文件，插入當前電話語音通道。

中國區域，緯度范圍為：N18.000000～N54.000000

經度范圍為：E73.000000～E135.000000

2.2 通過座席循環調用語音接口，發送上述DTMF碼。實際設計中采用的速率為每200ms一個DTMF碼。

2.3 車載終端收到DTMF文件，通過DTMF解碼器解析出發送碼，然后校驗收到的數據是否有效，同時對中心作出相應的應答（成功或失敗），在接受處理數據以及作出應答的過程中，并行處理關閉打開功放通道，以免語音干擾。如終端收到的數據有效，解析出來，呼叫地圖進行導航。

2.4 服務中心收到終端的應答，作出相應的處理，如服務中心收到終端發出數據有效的應答，則座席切回到聲音通道，提示本次服務結束，掛機；如服務中心收到終端發出數據無效或者在規定的時間內，服務中心未能收到應答（即終端壓根就未收到DTMF文件），則服務中心自動重新插入一次DTMF文件，下發給終端。

2.5 如服務中心再次收到終端發出數據無效或者在規定的時間內，服務中心仍然未能收到應答，則坐席切回到聲音通道，提示用戶檢查使用正確的原廠地圖和設備軟件，進入人工服務。

3 終端硬件設計

通常情況下，車載終端的處理器通過串口與藍牙通訊，藍牙音頻（通過功放）輸出到揚聲器。在此基礎上，將藍牙音頻輸出并入處理器ADC接口，進行DTMF解碼；同時，將數據通過串口發送到藍牙模塊，DTMF編碼后發出。終端與后臺通過藍牙實現語音和數字信息傳輸。

在藍牙模塊與處理器之間的音頻通道，使用精密運算放大器放大DTMF信號，輸入處理器ADC接口。

4 系統軟件設計

根據CCITT Q.23 建議，DTMF信號的技術指標是：傳送/接收率為每秒10個號碼，或每個號碼100ms，每個號碼傳送過程中，信號存在時間至少45m，且不多于55ms，間隙的其它時間內保持靜默。考慮到DTMF信號經過藍牙中轉，實際設計時將每個號碼發送速率調整為200ms，比100ms有較高的識別率。

DTMF信號包含兩組音頻信號，解碼器的任務是通過數學變換把它從時域轉換到頻域，然后得出對應的數字信息。軟件模擬按鍵產生雙音頻信號時，相繼的兩個信號間隔一段時間。解碼器利用這個間隔識別出雙音頻信號，并轉換成對應的數字信息，而且要識別出間隙信息。因此流程包含音頻任務和靜默任務，前者是產生雙音頻采樣值，后者產生靜默采樣值。每個任務結束時，要重置定時器和下一個任務。其中靜默任務還要加上另一任務：從數字緩沖區取出數字信號并將數字映射為對應的行、列音頻特性（振蕩器系數、初始條件），裝載指針指向振蕩器特性表對應的正確位置。

DTMF信號檢測的核心是Goertzel算法，它需要通過一系列檢測才能確定信號的有效性：（1）信號的強度需足夠大；（2）最強的行列頻率頻譜分量需比其他音頻信號高一個門限值；（3）二次諧波分量需小于規定值；（4）數字信息被連續檢測到兩次才認為是穩定的；（5）數字信息之后需有停頓狀態。在檢測到有效的數字信號之后，進行算法解密，如果是導航指令，則自動啟動導航并規劃路徑。終端與后臺通過以下協議進行通訊：

起始符+功能擴展+內容+校驗和+結束符

其中導航所需的經緯度信息包含在“內容”中。

一鍵導航操作流程如圖1所示，如中心下發DTMF文件失敗，會重發一次，同時并行處理開/關靜音，以免DTMF語音文件干擾。

圖1 一鍵導航操作流程

5 實驗分析

筆者在實際使用中設計兩種方案，一種是采用DTMF解碼芯片硬解，一種是處理器通過算法軟解，即文章所述方案。在藍牙音頻輸出后端選用相同硬件參數的情況下，對不同通訊運營商來說，即使藍牙輸出DTMF信號幅度在規定范圍之內，前者仍出現了信號識別失敗的問題。前者由于DTMF信號對專有芯片的依賴，導致產生的信號穩定性差，功耗大，成本高。后者可通過軟件抑制大量噪聲，大大提高了DTMF信號的誤碼率低。

6 結束語

通過實際使用驗證，基于DTMF的藍牙一鍵導航系統穩定可靠，藍牙兼容性高，DTMF誤碼率低。而且，比傳統的帶通訊模塊一鍵導航系統具有較高的成本優勢，值得大力推廣。

參考文獻

[1]張大彪.采用DTMF方式通信的安全報警系統[J].工程建設與設計，2001（3）：17-19.

[2]陳泉，胡小龍.基于軟件的DTMF產生器及性能分析[J].單片機及嵌入式系統的應用，2005.（4）：16-18.

[3]管慶，徐勝.雙音多頻DTMF技術在DSP系統中的實現[J].今日電子，2003年11期.

[4]常青青，鄧大偉，艾紅.基于DSP的DTMF信號編解碼算法實現.北京信息科技大學學報（自然科學版），2011年04期.

作者簡介：黃冠明（1980，7-），男，福建省漳州市（籍貫），現職稱：工程師，學歷：碩士，研究方向：汽車電子。endprint

摘 要：文章介紹了一種基于DTMF技術實現一鍵導航系統的設計方案。利用車載終端藍牙與用戶手機藍牙配對，實現與后臺服務中心通訊，通過DTMF傳輸導航指令，實現導航功能。該系統成本低、性能可靠，已得到實際應用。

關鍵詞：藍牙、雙音多頻、一鍵導航

引言

在車輛行駛過程中進行導航路徑規劃是非常危險的行為，因此很多企業推出了一鍵導航系統，即駕駛員只需按下一個按鍵（稱之為“一鍵通”），告訴后臺服務中心路線要求，即可由后臺座席協助完成路徑規劃。通常一鍵導航系統的車載終端需要配備通訊模塊，以實現和后臺的通訊。考慮到車載終端已基本將藍牙作為標配，在和用戶手機藍牙配對后，可實現與后臺服務中心通訊，通過DTMF（Dual Tone Multi-Frequency，雙音多頻）傳輸指令，可實現車載終端一鍵導航功能。

1 一鍵導航原理

在藍牙配對之后，當一鍵通被觸發時，終端系統自動發送后臺服務中心號碼給藍牙撥號程序，通過用戶手機撥打后臺服務中心。在通話過程中，后臺導航指令通過DTMF經藍牙發送到車載終端，車載終端自動進行路徑規劃，實現一鍵導航。車載終端和后臺服務中心均配有DTMF編解碼器，以實現導航指令的順利傳輸與解析。

2 設計概念及操作流程

藍牙一鍵導航的基本設計思想是通過藍牙模塊，借助DTMF編解碼器實現一鍵導航的功能。具體實現：

2.1 用戶通過藍牙手機撥打服務中心電話，告知要去的目的地，座席根據用戶目標地址，讀取地圖經緯度，生成DTMF數據文件，插入當前電話語音通道。

中國區域，緯度范圍為：N18.000000～N54.000000

經度范圍為：E73.000000～E135.000000

2.2 通過座席循環調用語音接口，發送上述DTMF碼。實際設計中采用的速率為每200ms一個DTMF碼。

2.3 車載終端收到DTMF文件，通過DTMF解碼器解析出發送碼，然后校驗收到的數據是否有效，同時對中心作出相應的應答（成功或失敗），在接受處理數據以及作出應答的過程中，并行處理關閉打開功放通道，以免語音干擾。如終端收到的數據有效，解析出來，呼叫地圖進行導航。

2.4 服務中心收到終端的應答，作出相應的處理，如服務中心收到終端發出數據有效的應答，則座席切回到聲音通道，提示本次服務結束，掛機；如服務中心收到終端發出數據無效或者在規定的時間內，服務中心未能收到應答（即終端壓根就未收到DTMF文件），則服務中心自動重新插入一次DTMF文件，下發給終端。

2.5 如服務中心再次收到終端發出數據無效或者在規定的時間內，服務中心仍然未能收到應答，則坐席切回到聲音通道，提示用戶檢查使用正確的原廠地圖和設備軟件，進入人工服務。

3 終端硬件設計

通常情況下，車載終端的處理器通過串口與藍牙通訊，藍牙音頻（通過功放）輸出到揚聲器。在此基礎上，將藍牙音頻輸出并入處理器ADC接口，進行DTMF解碼；同時，將數據通過串口發送到藍牙模塊，DTMF編碼后發出。終端與后臺通過藍牙實現語音和數字信息傳輸。

在藍牙模塊與處理器之間的音頻通道，使用精密運算放大器放大DTMF信號，輸入處理器ADC接口。

4 系統軟件設計

根據CCITT Q.23 建議，DTMF信號的技術指標是：傳送/接收率為每秒10個號碼，或每個號碼100ms，每個號碼傳送過程中，信號存在時間至少45m，且不多于55ms，間隙的其它時間內保持靜默。考慮到DTMF信號經過藍牙中轉，實際設計時將每個號碼發送速率調整為200ms，比100ms有較高的識別率。

DTMF信號包含兩組音頻信號，解碼器的任務是通過數學變換把它從時域轉換到頻域，然后得出對應的數字信息。軟件模擬按鍵產生雙音頻信號時，相繼的兩個信號間隔一段時間。解碼器利用這個間隔識別出雙音頻信號，并轉換成對應的數字信息，而且要識別出間隙信息。因此流程包含音頻任務和靜默任務，前者是產生雙音頻采樣值，后者產生靜默采樣值。每個任務結束時，要重置定時器和下一個任務。其中靜默任務還要加上另一任務：從數字緩沖區取出數字信號并將數字映射為對應的行、列音頻特性（振蕩器系數、初始條件），裝載指針指向振蕩器特性表對應的正確位置。

DTMF信號檢測的核心是Goertzel算法，它需要通過一系列檢測才能確定信號的有效性：（1）信號的強度需足夠大；（2）最強的行列頻率頻譜分量需比其他音頻信號高一個門限值；（3）二次諧波分量需小于規定值；（4）數字信息被連續檢測到兩次才認為是穩定的；（5）數字信息之后需有停頓狀態。在檢測到有效的數字信號之后，進行算法解密，如果是導航指令，則自動啟動導航并規劃路徑。終端與后臺通過以下協議進行通訊：

起始符+功能擴展+內容+校驗和+結束符

其中導航所需的經緯度信息包含在“內容”中。

一鍵導航操作流程如圖1所示，如中心下發DTMF文件失敗，會重發一次，同時并行處理開/關靜音，以免DTMF語音文件干擾。

圖1 一鍵導航操作流程

5 實驗分析

筆者在實際使用中設計兩種方案，一種是采用DTMF解碼芯片硬解，一種是處理器通過算法軟解，即文章所述方案。在藍牙音頻輸出后端選用相同硬件參數的情況下，對不同通訊運營商來說，即使藍牙輸出DTMF信號幅度在規定范圍之內，前者仍出現了信號識別失敗的問題。前者由于DTMF信號對專有芯片的依賴，導致產生的信號穩定性差，功耗大，成本高。后者可通過軟件抑制大量噪聲，大大提高了DTMF信號的誤碼率低。

6 結束語

通過實際使用驗證，基于DTMF的藍牙一鍵導航系統穩定可靠，藍牙兼容性高，DTMF誤碼率低。而且，比傳統的帶通訊模塊一鍵導航系統具有較高的成本優勢，值得大力推廣。

參考文獻

[1]張大彪.采用DTMF方式通信的安全報警系統[J].工程建設與設計，2001（3）：17-19.

[2]陳泉，胡小龍.基于軟件的DTMF產生器及性能分析[J].單片機及嵌入式系統的應用，2005.（4）：16-18.

[3]管慶，徐勝.雙音多頻DTMF技術在DSP系統中的實現[J].今日電子，2003年11期.

[4]常青青，鄧大偉，艾紅.基于DSP的DTMF信號編解碼算法實現.北京信息科技大學學報（自然科學版），2011年04期.

作者簡介：黃冠明（1980，7-），男，福建省漳州市（籍貫），現職稱：工程師，學歷：碩士，研究方向：汽車電子。endprint

摘 要：文章介紹了一種基于DTMF技術實現一鍵導航系統的設計方案。利用車載終端藍牙與用戶手機藍牙配對，實現與后臺服務中心通訊，通過DTMF傳輸導航指令，實現導航功能。該系統成本低、性能可靠，已得到實際應用。

關鍵詞：藍牙、雙音多頻、一鍵導航

引言

在車輛行駛過程中進行導航路徑規劃是非常危險的行為，因此很多企業推出了一鍵導航系統，即駕駛員只需按下一個按鍵（稱之為“一鍵通”），告訴后臺服務中心路線要求，即可由后臺座席協助完成路徑規劃。通常一鍵導航系統的車載終端需要配備通訊模塊，以實現和后臺的通訊。考慮到車載終端已基本將藍牙作為標配，在和用戶手機藍牙配對后，可實現與后臺服務中心通訊，通過DTMF（Dual Tone Multi-Frequency，雙音多頻）傳輸指令，可實現車載終端一鍵導航功能。

1 一鍵導航原理

在藍牙配對之后，當一鍵通被觸發時，終端系統自動發送后臺服務中心號碼給藍牙撥號程序，通過用戶手機撥打后臺服務中心。在通話過程中，后臺導航指令通過DTMF經藍牙發送到車載終端，車載終端自動進行路徑規劃，實現一鍵導航。車載終端和后臺服務中心均配有DTMF編解碼器，以實現導航指令的順利傳輸與解析。

2 設計概念及操作流程

藍牙一鍵導航的基本設計思想是通過藍牙模塊，借助DTMF編解碼器實現一鍵導航的功能。具體實現：

2.1 用戶通過藍牙手機撥打服務中心電話，告知要去的目的地，座席根據用戶目標地址，讀取地圖經緯度，生成DTMF數據文件，插入當前電話語音通道。

中國區域，緯度范圍為：N18.000000～N54.000000

經度范圍為：E73.000000～E135.000000

2.2 通過座席循環調用語音接口，發送上述DTMF碼。實際設計中采用的速率為每200ms一個DTMF碼。

2.3 車載終端收到DTMF文件，通過DTMF解碼器解析出發送碼，然后校驗收到的數據是否有效，同時對中心作出相應的應答（成功或失敗），在接受處理數據以及作出應答的過程中，并行處理關閉打開功放通道，以免語音干擾。如終端收到的數據有效，解析出來，呼叫地圖進行導航。

2.4 服務中心收到終端的應答，作出相應的處理，如服務中心收到終端發出數據有效的應答，則座席切回到聲音通道，提示本次服務結束，掛機；如服務中心收到終端發出數據無效或者在規定的時間內，服務中心未能收到應答（即終端壓根就未收到DTMF文件），則服務中心自動重新插入一次DTMF文件，下發給終端。

2.5 如服務中心再次收到終端發出數據無效或者在規定的時間內，服務中心仍然未能收到應答，則坐席切回到聲音通道，提示用戶檢查使用正確的原廠地圖和設備軟件，進入人工服務。

3 終端硬件設計

通常情況下，車載終端的處理器通過串口與藍牙通訊，藍牙音頻（通過功放）輸出到揚聲器。在此基礎上，將藍牙音頻輸出并入處理器ADC接口，進行DTMF解碼；同時，將數據通過串口發送到藍牙模塊，DTMF編碼后發出。終端與后臺通過藍牙實現語音和數字信息傳輸。

在藍牙模塊與處理器之間的音頻通道，使用精密運算放大器放大DTMF信號，輸入處理器ADC接口。

4 系統軟件設計

根據CCITT Q.23 建議，DTMF信號的技術指標是：傳送/接收率為每秒10個號碼，或每個號碼100ms，每個號碼傳送過程中，信號存在時間至少45m，且不多于55ms，間隙的其它時間內保持靜默。考慮到DTMF信號經過藍牙中轉，實際設計時將每個號碼發送速率調整為200ms，比100ms有較高的識別率。

DTMF信號包含兩組音頻信號，解碼器的任務是通過數學變換把它從時域轉換到頻域，然后得出對應的數字信息。軟件模擬按鍵產生雙音頻信號時，相繼的兩個信號間隔一段時間。解碼器利用這個間隔識別出雙音頻信號，并轉換成對應的數字信息，而且要識別出間隙信息。因此流程包含音頻任務和靜默任務，前者是產生雙音頻采樣值，后者產生靜默采樣值。每個任務結束時，要重置定時器和下一個任務。其中靜默任務還要加上另一任務：從數字緩沖區取出數字信號并將數字映射為對應的行、列音頻特性（振蕩器系數、初始條件），裝載指針指向振蕩器特性表對應的正確位置。

DTMF信號檢測的核心是Goertzel算法，它需要通過一系列檢測才能確定信號的有效性：（1）信號的強度需足夠大；（2）最強的行列頻率頻譜分量需比其他音頻信號高一個門限值；（3）二次諧波分量需小于規定值；（4）數字信息被連續檢測到兩次才認為是穩定的；（5）數字信息之后需有停頓狀態。在檢測到有效的數字信號之后，進行算法解密，如果是導航指令，則自動啟動導航并規劃路徑。終端與后臺通過以下協議進行通訊：

起始符+功能擴展+內容+校驗和+結束符

其中導航所需的經緯度信息包含在“內容”中。

一鍵導航操作流程如圖1所示，如中心下發DTMF文件失敗，會重發一次，同時并行處理開/關靜音，以免DTMF語音文件干擾。

圖1 一鍵導航操作流程

5 實驗分析

筆者在實際使用中設計兩種方案，一種是采用DTMF解碼芯片硬解，一種是處理器通過算法軟解，即文章所述方案。在藍牙音頻輸出后端選用相同硬件參數的情況下，對不同通訊運營商來說，即使藍牙輸出DTMF信號幅度在規定范圍之內，前者仍出現了信號識別失敗的問題。前者由于DTMF信號對專有芯片的依賴，導致產生的信號穩定性差，功耗大，成本高。后者可通過軟件抑制大量噪聲，大大提高了DTMF信號的誤碼率低。

6 結束語

通過實際使用驗證，基于DTMF的藍牙一鍵導航系統穩定可靠，藍牙兼容性高，DTMF誤碼率低。而且，比傳統的帶通訊模塊一鍵導航系統具有較高的成本優勢，值得大力推廣。

參考文獻

[1]張大彪.采用DTMF方式通信的安全報警系統[J].工程建設與設計，2001（3）：17-19.

[2]陳泉，胡小龍.基于軟件的DTMF產生器及性能分析[J].單片機及嵌入式系統的應用，2005.（4）：16-18.

[3]管慶，徐勝.雙音多頻DTMF技術在DSP系統中的實現[J].今日電子，2003年11期.

[4]常青青，鄧大偉，艾紅.基于DSP的DTMF信號編解碼算法實現.北京信息科技大學學報（自然科學版），2011年04期.

作者簡介：黃冠明（1980，7-），男，福建省漳州市（籍貫），現職稱：工程師，學歷：碩士，研究方向：汽車電子。endprint