基于ARM微處理器的機載語音告警系統設計

宋霄罡，翟正軍，任嵐昆

（西北工業大學 計算機學院，陜西 西安 710072）

飛機語音告警系統是新型飛機必備的一種機載設備，其作用是將飛機當前的工作狀態、危險狀況或者通過數據鏈獲取的作戰任務命令，實時以語音方式告知飛行員[1]。在飛機飛行過程中飛行員一般是通過安裝在座艙里的操作臺、儀表和告警信號燈來了解飛機各個系統的工作狀態。由于飛行員在飛行時為完成相應的飛行任務，注意力高度集中在飛行高度、速度和雷達參數等數據信息上，對飛機故障信息的注意力要相對弱一些，這樣就會出現飛行員不能及時地對故障采取措施，從而導致嚴重的飛行事故。同時，目前大多數新研制或改裝的飛機都有數據鏈系統，許多作戰任務命令不再單純依靠地面指揮人員或長機的語音傳達，可通過數據鏈或根據戰場態勢產生，并及時告知飛行員，因此，針對某新型飛機的研制要求，設計了基于ARM單片機的語音告警系統。

1 系統總體框架設計與工作原理

語音告警系統由以下6部分組成：語音命令輸入單元、語音命令真偽和優先權判斷單元、告警語音播放單元、電源及其監控單元、自檢測單元和調試接口，系統設計框圖如圖1所示。

圖1 系統設計框圖Fig.1 Block diagram of system design

系統的語音告警數據可以通過JTAG預先裝載到非遺失的NAND Flash中，系統上電后自動將告警軟件和語音告警數據加載到SDRAM中。系統工作時，通過RS422接收外系統傳來的一個或多個告警命令，按照告警命令的優先級依次發出告警語音。當新的告警命令優先級高于當前告警命令時，中斷當前告警語音；當高優先級的告警命令處理結束后，接著依次發出較低一級的告警語音。

2 硬件設計

2.1 ARM處理器單元

ARM處理器單元由S3C2440型ARM、存儲單元的NAND Flash和SDRAM組成。

2.1.1 S3C2440尋址原理

S3C2440是基于ARM920T內核的16/32位RISC微處理器[2]，提供32位地址總線，可以訪問4 Gb的線性地址空間，而S3C2440的內部地址總線是30 b，能夠訪問的最大外部地址空間是1 GB，可見S3C2440僅利用ARM920T 32位地址空間的低30位。S3C2440將1 GB的外部地址空間分成了8個存儲器組，每個組的大小128 MB，其中6個用于ROM、SRAM 等存儲器，2個用于 ROM、SRAM、SDRAM 存儲器。S3C2440對外尋址時，采用了部分譯碼的方式，低位地址線用于外圍存儲器的片內尋址，高位地址線用于外圍存儲器的片外尋址。高3位ADDR[29:27]來選擇該地址屬于哪一個存儲器組，ADDR[26:0]來實現相應存儲器組的內部尋址，尋址范圍為128 MB，從而使得其外圍地址訪問空間為1 GB。

2.1.2 存儲單元設計

NAND Flash接口信號較少（如圖2所示），數據寬度只有8 b，沒有地址總線，地址、數據總線復用，串行讀取，以頁（page）為單位進行讀寫，以塊（block）為單位進行擦除[3]。操作NAND Flash時，先傳輸命令，然后再傳輸地址，最后讀寫數據。本系統采用64 M×8 bit的K9F1208，其組織方式可以分4類地址：

1）Column Address表示數據在半頁中的地址，大小范圍0～255，用 A[0:7]表示；

2）Halfpage Pointer表示半頁在整頁中的位置，即在0～255空間或256～511空間，用A[8]表示；A[8]=00為上半頁，A

[8]=01為下半頁；

3）Page Address表示頁在塊中的地址，大小范圍0～31，用 A[9:13]表示；

4）Block Address表示塊在Flash中的位置，大小范圍0～4 095，A[14:25]表示。

對NAND Flash操作時，地址分4個周期傳送。

圖2 S3C2440與NAND Flash連接圖Fig.2 Interface connection diagram between S3C2440 and NAND Flash

2.2 音頻及功放單元

系統采用CS4331完成數字音頻信號的轉換，CS4331是完全立體聲數字音頻轉換器，集成了數字插值、調制、數模轉換、低通濾波功能。CS4331轉換后的模擬信號功率經放大后以差分方式輸出，如果存在干擾信號，會對差分信號產生相同的干擾，通過二者之差，干擾信號的有效輸入為零，達到了抗共模干擾的目的，音頻轉換及功放電路如圖3所示。

圖3 音頻轉換及功放電路Fig.3 Audio converter and amplifier circuit

2.3 電源及其監控單元

機載設備要求能耐受飛機電源的浪涌、沖擊，并能夠在掉電50 ms內系統仍能正常工作，必須設計電源濾波和掉電保護模塊。采用法拉電容對電源模塊做特殊設計，其電路如圖4所示。

二極管VD1和R2實現了系統的正常供電，二極管VD2和R1完成儲能電容C1的充電，并能夠限制加電瞬間的充電電流。VD1，VD2和VD3的單向導電性保證儲能電容C1在飛機電源掉電時，只給本電路板供電。同時電阻R2和電容C2，C3一起用于電源濾波，消除電源浪涌和尖峰。依據電路保持工作所需能量需與法拉電容減少能量相等[4]的原則，可知：

式中，C為法拉電容的標稱容量，F；Uwork為電路中的正常工作電壓，V；Umin為電路能工作的最低電壓，V；T為電路中要求的保持時間，s；I為電路的負載電流，A。

則有

由式（3）推導可得：

根據語音告警系統的設計方案和所選用的元器件，系統正常工作所需要的電流約為0.2 A，系統工作電壓為3.3 V，最小工作電壓為3 V，要求掉電時間為0.05 s，據此由式（4）可計算出所需要的法拉電容為：

按照10倍的設計余度，本文選擇0.47 F電容作為儲能元件，可實現掉電時間最大為700 ms的掉電保護，完全滿足機載設備的要求。

圖4中MAX811為電源監控器件，當監控到系統電源低于閾值3 V時，產生復位信號以確保系統工作正常。

圖4 掉電保護處理電路Fig.4 Power-down protection circuit

3 軟件設計

3.1 U-Boot的移植

因 1.1.4 版本 U-Boot（Universal Boot Loader）并不支持本系統設計所使用的微處理器S3C2440，但對S3C2410有完善的支持[5]。本文U-Boot移植工作在微處理器S3C2410的基礎上展開，U-Boot移植操作實際上就是根據系統硬件資源對相關的文件進行修改。本系統相關硬件由S3C2440嵌入式微處理器、64 MB的NAND Flash、64 MB的SDRAM及串口組成，這里關鍵介紹存儲系統的初始化部分：

1）Flash驅動程序采用board/Cmi/Flash.c，由于Cmi中的flash.c寫入時要交換字節，因而刪除了其write_short（）和write_buff（）函數，利用 board/ep7312/Flash.c 中 write_word（）和 write_buff（）函數，并且把flash.c中的FLASH_BASE_PRELIM改為CFG_FLASH_BASE。 把 FLASH_BLOCK_SIZE改為 0x4000，（NAND Flash K9F1208塊的大小是16 KB。

2）Board/smdk2410/smdk2410.c 中函數 dram_init（） 定義了SDRAM的真實地址和實際大小。由于本設計中，SDRAM的大小為64 MB，所以修改Include/configs/Smdk2410.h中的PHYS_SDRAM_1_SIZE，改為 0x04000000。

經過以上修改后生成目標代碼，通過JTAG將二進制文件燒入NAND Flash。燒寫成功后通過超級終端進行測試，測試結果表明U-Boot移植成功并且可以在系統板上穩定運行。

3.2 系統軟件流程

系統的軟件流程如圖5所示，系統上電或復位后，從NAND Flash啟動，S3C2440把 NAND Flash的前4 KB加載到SDRAM中，并把SDRAM的首地址設為0x00000000，CPU從0x00000000開始執行。NAND Flash的前4 KB程序中包含從NAND Flash把BootLoader（引導加載程序）的其余部分裝入SDRAM的程序，進行系統初始化；系統接收到RS422接口傳來的告警命令后首先進行告警命令真偽及優先權判定，當判定當前告警命令為真并且為優先級最高后，系統從SDRAM讀取告警語音數據；當檢測到此時系統無新告警命令或高優先級命令時，將語音數據輸出給音頻轉換器進行解碼、數模轉換，功率放大后把告警語音送到飛行員耳機完成故告警語音播放。

3.3 告警命令優先級調度單元

語音告警系統功能是以分布在飛機各處的主要傳感器信號為觸發，將飛機當前的工作狀態、危險狀況或通過數據鏈獲取的作戰任務命令，根據信息的重要緊急程度的不同，在語音告警系統里將各系統的告警命令分成了不同的告警優先級。一般將告警命令分為3級：危險級、警告級、注意級[6]，這樣按優先權將告警命令分成先后順序。本系統采用的告警命令優先級調度流程如圖6所示。

圖5 系統軟件流程Fig.5 Flow chart of system software

圖6 告警命令優先級調度流程Fig.6 Flow chart of warning-command priority

4 結 論

實踐證明，采用ARM微處理器和數字音頻轉換器設計的機載語音告警系統工作穩定、可靠，告警語音的控制和播放更加靈活、快速，適應復雜多變戰場環境，符合體積小、重量輕、功耗低的機載需求。

[1]張忍.基于MP3的飛機語音告警系統設計[D].成都:電子科技大學，2009.

[2]Samsung Electronics.S3C2440a 32-bit CMOS microcontroller user's manual[EB/OL].[2010-04-03].http://www.docin.com/p-24716747.html.

[3]Samsung Electronics.K9F1208 Datasheet[EB/OL].（2004-04-24）[2010-04-03].http://www.samsung.com/Products/Semiconductor/Flash/TechnicalInfo/datasheets.htm.

[4]江健琦.法拉電容在掉電保護中的應用[J].單片機與嵌入式系統應用，2007（6）:49-50.JIANG Jian-qi.The application of farad capacitor in the power-off protection[J].Microcontrollers&Embedded Systems，2007（6）:49-50.

[5]張徽，張華春.U-Boot在S3C2440上的移植方法[J].電子器件，2007，30（4）:1423-1426.ZHANG Hui，ZHANG Hua-chun.Porting method of U-Boot in S3C2440 board[J].Chinese Journal of Electron Devices，2007，30（4）:1423-1426.

[6]李景春，王忠良，丁兆軍.飛機語音告警系統的研究[J].沈陽航空工業學院學報， 2003，20（3）:14-15.LI Jing-chun，WANG Zhong-liang， DING Zhao-jun.Study on airplane sound-warning system [J].Journal of Shenyang Institute of Aeronautical Engineering， 2003，20（3）:14-15.