基于ARM內(nèi)核的機(jī)載語(yǔ)音告警錄音控制設(shè)備研制與應(yīng)用

劉洪海 秦玉磊 林德強(qiáng) 高偉 劉艷艷

摘要：為提高某型機(jī)載語(yǔ)音告警裝置修理過(guò)程中的錄音工作效率和語(yǔ)音質(zhì)量，研制專用的錄音控制設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)機(jī)型、機(jī)號(hào)及語(yǔ)音通道號(hào)的控制及輸入。設(shè)備所用的硬件由通用元器件構(gòu)成，內(nèi)部軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，配合專用錄音設(shè)備使用可提高語(yǔ)音錄制的品質(zhì)，滿足修理需要。

關(guān)鍵詞：機(jī)載語(yǔ)音告警裝置；錄音；硬件；軟件

Keywords：airborne voice warning device；sound recording；hardware；software

0 引言

機(jī)載語(yǔ)音告警裝置為飛機(jī)機(jī)組人員和地面指揮臺(tái)人員提供載機(jī)在飛行中緊急情況和危險(xiǎn)狀況下的語(yǔ)音告警，當(dāng)飛機(jī)上發(fā)生緊急情況或達(dá)到極限工作狀態(tài)時(shí)，能向飛行員耳機(jī)自動(dòng)輸出相應(yīng)的事先存入的語(yǔ)音告警信號(hào)，同時(shí)向地面指揮所發(fā)出報(bào)警信號(hào)。某型機(jī)載語(yǔ)音告警裝置以磁帶為載體，共記錄48段告警語(yǔ)音信息，其結(jié)構(gòu)及原理同老式磁帶錄放音機(jī)。

某型飛機(jī)大修技術(shù)條件要求對(duì)每架飛機(jī)的磁帶組件進(jìn)行錄音和放音功能檢查測(cè)試。目前，三次大修飛機(jī)進(jìn)廠較多，隨著飛行時(shí)間的增長(zhǎng)，磁帶磨損老化加劇，磁帶更換較為頻繁，更換新的磁帶后需要對(duì)48條語(yǔ)音信息重新錄制。為提高修理過(guò)程中的錄音工作效率和語(yǔ)音質(zhì)量，需研制一臺(tái)專用的錄音控制設(shè)備。

1 告警內(nèi)容錄制需求

表1給出了部分告警語(yǔ)音播放內(nèi)容。

由表1可知，單雙座機(jī)的語(yǔ)音錄制內(nèi)容在7、10和11播放通道上有所不同，同時(shí)1～5通道和48通道需要錄入具體的飛機(jī)號(hào)，這就需要在創(chuàng)建語(yǔ)音庫(kù)時(shí)加以區(qū)分。每架飛機(jī)播放的機(jī)號(hào)有所不同，由0～9數(shù)字任意組合，經(jīng)統(tǒng)計(jì)需增加的語(yǔ)音音頻內(nèi)容如表2所示。

2 技術(shù)方案

運(yùn)用ARM內(nèi)核微處理器進(jìn)行控制輸出，建立所需標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音庫(kù)文件，利用人機(jī)交互界面，將事先存儲(chǔ)于標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)音庫(kù)內(nèi)的音頻信息針對(duì)所需錄制的磁帶組件的飛機(jī)的機(jī)型、機(jī)號(hào)和通道號(hào)進(jìn)行設(shè)置，并通過(guò)LCD顯示器顯示出來(lái)。依次播放組合后的音頻文件（1～48通道），放大后輸出至錄音均衡控制單元進(jìn)行電平調(diào)整及阻抗匹配。達(dá)到所需錄音電平后，通過(guò)線路輸至錄音設(shè)備，完成語(yǔ)音錄制工作。圖1為原理方框圖。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 MCU介紹及選型

由于語(yǔ)音播放需工作在硬件與軟件相結(jié)合的條件下，因此主CPU電路采用ARM系列Crotex M4內(nèi)核系統(tǒng)架構(gòu)的微處理器，選用STM32F429BIT6作為MCU主要核心部件。該CPU是一個(gè)具有208腳封裝的集成芯片，最高主頻可達(dá)180MHz，擁有的資源包括：256kB SRAM、2MB FLASH、17個(gè)定時(shí)器、1個(gè)DMA控制器、6個(gè)SPI、3個(gè)I2C、2個(gè)I2S、1個(gè)USB、1個(gè)CAN、3個(gè)12位ADC、1個(gè)12位DAC、1個(gè)SDIO接口、1個(gè)FSMC 接口以及112個(gè)通用I/O口、1個(gè)JTAG接口，可以在線編程并具有下載仿真功能。該芯片還帶外部總線（FSMC），可以用來(lái)外擴(kuò)SRAM和連接LCD等。MCU器件內(nèi)部系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

3.2 顯示（含觸摸屏）單元功能設(shè)計(jì)

該單元包含7in的TFT LCD高分辨率全彩電容觸摸屏及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電路，其中顯示屏分辨率為800×480。驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)含一體專用控制芯片，具有LED背光驅(qū)動(dòng)，屏幕顯示比例為10∶6。該模塊電源為5V供電，數(shù)據(jù)輸入采用24位并行RGB接口，通過(guò)軟件控制可實(shí)現(xiàn)0～255級(jí)PWM可調(diào)背光控制階梯，完全滿足使用需求。該模塊與MCU單元采用40P（雙排2×20P）排針接口，具體接口定義如表3所示。

3.3 語(yǔ)音庫(kù)（Micro SD卡）存儲(chǔ)與讀取單元

本項(xiàng)目中語(yǔ)音庫(kù)文件采用Micro SD卡管理與存儲(chǔ)，方便移植及使用。Micro SD卡是一種為滿足安全性、容量、性能和使用環(huán)境等需求而設(shè)計(jì)的新型存儲(chǔ)器件，由專用卡槽安裝在含有解碼芯片的集成模塊上，整個(gè)模塊通過(guò)UART串口控制，支持MP3、WAV解碼格式，最大支持32G TF卡存儲(chǔ)，可通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接電腦更新TF卡存儲(chǔ)語(yǔ)音庫(kù)文件。該模塊與MCU通過(guò)全雙工串口通信，經(jīng)串口輸入輸出控制程序，編制所需的語(yǔ)音信息播放組合，并通過(guò)MCU依次輸出至音頻處理與控制單元，連接電路圖如圖3所示。

3.4 音頻處理與控制單元

本單元采用集成音頻DAC芯片WM8978。該芯片集成了立體聲麥克風(fēng)差分前置放大器、揚(yáng)聲器和耳機(jī)驅(qū)動(dòng)器、差分或者立體聲線路輸出驅(qū)動(dòng)器。CPU和WM8978之間通過(guò)I2C和I2S接口連接。I2C接口（SCLK、SDIN）用于配置WM8978的工作狀態(tài)（音量、外放和耳機(jī)切換、均衡控制等），I2S接口（LRC、BCLK、ADCDAT、MCLK）用于傳輸音頻數(shù)據(jù)流。本設(shè)計(jì)WM8978和CPU之間選擇2線模式進(jìn)行連接。WM8978編解碼器可工作在主模式或從模式下。內(nèi)部PLL可以產(chǎn)生各種音頻時(shí)鐘。MCU與音頻處理器電路連接原理圖如圖4所示。

3.5 電源供電單元

根據(jù)以上硬件平臺(tái)搭建所需電源，電源模塊電路如圖5所示。本系統(tǒng)有以下幾種電源：CPU的I/O口數(shù)字和模擬電源電壓+3.3V、總線的隔離電源、LCD的驅(qū)動(dòng)電源、LCD的背光逆變電源、其他外圍設(shè)備電源電壓+5V等電源。5V電源適配經(jīng)過(guò)AMS1117-3.3和AMS1117-2.5產(chǎn)生3.3V和2.5V的直流電源供系統(tǒng)使用，整個(gè)設(shè)備采用便攜式設(shè)計(jì)，內(nèi)部設(shè)置了鋰電池組以及充電電路，便于移動(dòng)使用。

4 軟件開(kāi)發(fā)實(shí)施方案

4.1 軟件開(kāi)發(fā)架構(gòu)及工作流程

本項(xiàng)目由STM32最小系統(tǒng)、SD卡的讀取模塊、TFT控制模塊、觸摸屏模塊等組成。需要解決的問(wèn)題包括SD卡的讀取、使用FATFS系統(tǒng)對(duì)SD卡的操作、TFT液晶的控制及觸摸屏操作、圖形用戶界面GUI的實(shí)現(xiàn)等。軟件開(kāi)發(fā)架構(gòu)如圖6所示，軟件工作流程如圖7所示。

4.2 軟件編譯總結(jié)

本項(xiàng)目軟件程序完全自主設(shè)計(jì)，在C語(yǔ)言基礎(chǔ)上，采用keil 5 μVision設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行編制，各子程序采用模塊化編制的方式組合而成，其中軟件操作界面采用emWIN進(jìn)行設(shè)計(jì)。軟件編譯示例如圖8所示。經(jīng)以上硬件、軟件成型后調(diào)試完成的產(chǎn)品實(shí)物如圖9所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合裝備維修保障的實(shí)際需求，采用技術(shù)成熟的STM32型RAM內(nèi)核微處理器作為主控芯片，軟件程序完全自主開(kāi)發(fā)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)機(jī)型、機(jī)號(hào)及語(yǔ)音通道號(hào)的任意形式組合，具有智能化、人性化設(shè)計(jì)特點(diǎn)，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，方便維護(hù)。

參考文獻(xiàn)

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[2] 白永斌，張漢光，黃強(qiáng).基于StemWin的STM32開(kāi)發(fā)與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2015.

作者簡(jiǎn)介

劉洪海，高級(jí)工程師，主要從事航空電子部附件研究及地面檢測(cè)設(shè)備研制。

秦玉磊，工程師，主要從事航空裝備修理質(zhì)量監(jiān)督。

林德強(qiáng)，工程師，主要從事航空電子部附件研究及地面檢測(cè)設(shè)備研制。

高偉，技師，主要從事航空電子部附件修理工作。

劉艷艷，高級(jí)技師，主要從事航空電子部附件修理質(zhì)量檢驗(yàn)工作。