基于ARM 微處理器的機(jī)載語(yǔ)音告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    摘要： 針對(duì)某型現(xiàn)代軍用飛機(jī)的研制要求，設(shè)計(jì)了基于ARM 微處理器的機(jī)載語(yǔ)音告警系統(tǒng)。該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用立體數(shù)字語(yǔ)音轉(zhuǎn)換器，并對(duì)語(yǔ)音采用差分方式輸出以提高抗干擾能力，設(shè)計(jì)了50 ms 掉電保護(hù)。軟件采用U-Boot 的移植及告警命令優(yōu)先級(jí)的調(diào)度處理技術(shù)，并將大語(yǔ)音庫(kù)從NAND Flash 直接加載到SDRAM 中，減小發(fā)音間隔。其應(yīng)用結(jié)果表明，該機(jī)載語(yǔ)音告警系統(tǒng)能根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)形勢(shì)變化解析告警命令后對(duì)飛行員發(fā)出告警語(yǔ)音，并且接收到告警命令到發(fā)出告警語(yǔ)音間隔小于40 ms，適應(yīng)現(xiàn)代復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，告警語(yǔ)音音質(zhì)清晰、無(wú)間斷音。

　　飛機(jī)語(yǔ)音告警系統(tǒng)是新型飛機(jī)必備的一種機(jī)載設(shè)備，其作用是將飛機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)、危險(xiǎn)狀況或者通過(guò)數(shù)據(jù)鏈獲取的作戰(zhàn)任務(wù)命令，實(shí)時(shí)以語(yǔ)音方式告知飛行員[1]。在飛機(jī)飛行過(guò)程中飛行員一般是通過(guò)安裝在座艙里的操作臺(tái)、儀表和告警信號(hào)燈來(lái)了解飛機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。由于飛行員在飛行時(shí)為完成相應(yīng)的飛行任務(wù)， 注意力高度集中在飛行高度、速度和雷達(dá)參數(shù)等數(shù)據(jù)信息上，對(duì)飛機(jī)故障信息的注意力要相對(duì)弱一些，這樣就會(huì)出現(xiàn)飛行員不能及時(shí)地對(duì)故障采取措施，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的飛行事故。同時(shí)，目前大多數(shù)新研制或改裝的飛機(jī)都有數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)，許多作戰(zhàn)任務(wù)命令不再單純依靠地面指揮人員或長(zhǎng)機(jī)的語(yǔ)音傳達(dá)，可通過(guò)數(shù)據(jù)鏈或根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)產(chǎn)生，并及時(shí)告知飛行員，因此，針對(duì)某新型飛機(jī)的研制要求，設(shè)計(jì)了基于ARM 單片機(jī)的語(yǔ)音告警系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)與工作原理：

　　語(yǔ)音告警系統(tǒng)由以下6 部分組成： 語(yǔ)音命令輸入單元、語(yǔ)音命令真?zhèn)魏蛢?yōu)先權(quán)判斷單元、告警語(yǔ)音播放單元、電源及其監(jiān)控單元、自檢測(cè)單元和調(diào)試接口，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1 所示。

　　系統(tǒng)的語(yǔ)音告警數(shù)據(jù)可以通過(guò)JTAG 預(yù)先裝載到非遺失的NAND Flash 中， 系統(tǒng)上電后自動(dòng)將告警軟件和語(yǔ)音告警數(shù)據(jù)加載到SDRAM 中。系統(tǒng)工作時(shí)，通過(guò)RS422 接收外系統(tǒng)傳來(lái)的一個(gè)或多個(gè)告警命令，按照告警命令的優(yōu)先級(jí)依次發(fā)出告警語(yǔ)音。當(dāng)新的告警命令優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前告警命令時(shí)，中斷當(dāng)前告警語(yǔ)音；當(dāng)高優(yōu)先級(jí)的告警命令處理結(jié)束后，接著依次發(fā)出較低一級(jí)的告警語(yǔ)音。

　　2 硬件設(shè)計(jì)：

　　2.1 ARM 處理器單元：

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

　　2.1.1 S3C2440 尋址原理：

　　S3C2440是基于ARM920T 內(nèi)核的16/32 位RISC 微處理器[2]，提供32 位地址總線，可以訪問(wèn)4 Gb 的線性地址空間，而S3C2440 的內(nèi)部地址總線是30 b，能夠訪問(wèn)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(gè)存儲(chǔ)器組， 每個(gè)組的大小128 MB， 其中6 個(gè)用于ROM、SRAM 等存儲(chǔ)器，2 個(gè)用于ROM、SRAM、SDRAM 存儲(chǔ)器。S3C2440 對(duì)外尋址時(shí)，采用了部分譯碼的方式，低位地址線用于外圍存儲(chǔ)器的片內(nèi)尋址， 高位地址線用于外圍存儲(chǔ)器的片外尋址。高3 位ADDR[29:27]來(lái)選擇該地址屬于哪一個(gè)存儲(chǔ)器組，ADDR [26:0]來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)存儲(chǔ)器組的內(nèi)部尋址，尋址范圍為128 MB，從而使得其外圍地址訪問(wèn)空間為1 GB。

　　2.1.2 存儲(chǔ)單元設(shè)計(jì):

　　NAND Flash 接口信號(hào)較少（如圖2 所示），數(shù)據(jù)寬度只有8 b，沒有地址總線，地址、數(shù)據(jù)總線復(fù)用， 串行讀取， 以頁(yè)（page）為單位進(jìn)行讀寫，以塊（block）為單位進(jìn)行擦除。操作NAND Flash 時(shí)，先傳輸命令，然后再傳輸?shù)刂?，最后讀寫數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)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(shù)據(jù)在半頁(yè)中的地址， 大小范圍0~255，用A[0:7]表示；2）Halfpage Pointer 表示半頁(yè)在整頁(yè)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(yè)，A[8]=01 為下半頁(yè)；3）Page Address 表示頁(yè)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(duì)NAND Flash 操作時(shí)，地址分4 個(gè)周期傳送。[!--empirenews.page--]

　　2.2 音頻及功放單元:

　　系統(tǒng)采用CS4331 完成數(shù)字音頻信號(hào)的轉(zhuǎn)換，CS4331是完全立體聲數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換器， 集成了數(shù)字插值、調(diào)制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、低通濾波功能。CS4331 轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)功率經(jīng)放大后以差分方式輸出，如果存在干擾信號(hào)，會(huì)對(duì)差分信號(hào)產(chǎn)生相同的干擾，通過(guò)二者之差，干擾信號(hào)的有效輸入為零，達(dá)到了抗共模干擾的目的，音頻轉(zhuǎn)換及功放電路如圖3 所示。

　　2.3 電源及其監(jiān)控單元:

　　機(jī)載設(shè)備要求能耐受飛機(jī)電源的浪涌、沖擊，并能夠在掉電50 ms 內(nèi)系統(tǒng)仍能正常工作，必須設(shè)計(jì)電源濾波和掉電保護(hù)模塊。采用法拉電容對(duì)電源模塊做特殊設(shè)計(jì)，其電路如圖4 所示。

　　二極管VD1和R2實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的正常供電，二極管VD2和R1完成儲(chǔ)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?qū)щ娦员ＷC儲(chǔ)能電容C1在飛機(jī)電源掉電時(shí)，只給本電路板供電。同時(shí)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(jù)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(biāo)稱容量，F(xiàn)；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(shí)間，s；I 為電路的負(fù)載電流，A。

　　則有

　　由式（3）推導(dǎo)可得：

　　根據(jù)語(yǔ)音告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和所選用的元器件，系統(tǒng)正常工作所需要的電流約為0.2 A， 系統(tǒng)工作電壓為3.3 V，最小工作電壓為3 V，要求掉電時(shí)間為0.05 s，據(jù)此由式（4）可計(jì)算出所需要的法拉電容為：

　　按照10 倍的設(shè)計(jì)余度， 本文選擇0.47 F 電容作為儲(chǔ)能元件，可實(shí)現(xiàn)掉電時(shí)間最大為700 ms 的掉電保護(hù)，完全滿足機(jī)載設(shè)備的要求。

　　圖4 中MAX811 為電源.件，當(dāng)監(jiān)控到系統(tǒng)電源低于閾值3 V 時(shí)，產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)以確保系統(tǒng)工作正常。[!--empirenews.page--]

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　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(tǒng)設(shè)計(jì)所使用的微處理器S3C2440，但對(duì)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(chǔ)上展開，U-Boot 移植操作實(shí)際上就是根據(jù)系統(tǒng)硬件資源對(duì)相關(guān)的文件進(jìn)行修改。本系統(tǒng)相關(guān)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(guān)鍵介紹存儲(chǔ)系統(tǒng)的初始化部分：

　　1）Flash 驅(qū)動(dòng)程序采用board/Cmi/Flash.c， 由于Cmi 中的flash.c 寫入時(shí)要交換字節(jié)，因而刪除了其write_short（）和write_buff（）函數(shù)，利用board/ep7312/Flash.c 中write_word（）和write_buff（）函數(shù)，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(shù)dram_init（ ） 定義了SDRAM 的真實(shí)地址和實(shí)際大小。由于本設(shè)計(jì)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(jīng)過(guò)以上修改后生成目標(biāo)代碼， 通過(guò)JTAG 將二進(jìn)制文件燒入NAND Flash。燒寫成功后通過(guò)超級(jí)終端進(jìn)行測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果表明U-Boot 移植成功并且可以在系統(tǒng)板上穩(wěn)定運(yùn)行。

　　3.2 系統(tǒng)軟件流程

　　系統(tǒng)的軟件流程如圖5 所示， 系統(tǒng)上電或復(fù)位后，從NAND Flash 啟動(dòng)，S3C2440 把NAND Flash 的前4 KB 加載到SDRAM 中， 并把SDRAM 的首地址設(shè)為0x00000000，CPU 從0x00000000 開始執(zhí)行。NAND Flash 的前4 KB 程序中包含從NAND Flash 把BootLoader（引導(dǎo)加載程序）的其余部分裝入SDRAM 的程序， 進(jìn)行系統(tǒng)初始化； 系統(tǒng)接收到RS422 接口傳來(lái)的告警命令后首先進(jìn)行告警命令真?zhèn)渭皟?yōu)先權(quán)判定，當(dāng)判定當(dāng)前告警命令為真并且為優(yōu)先級(jí)最高后，系統(tǒng)從SDRAM 讀取告警語(yǔ)音數(shù)據(jù)； 當(dāng)檢測(cè)到此時(shí)系統(tǒng)無(wú)新告警命令或高優(yōu)先級(jí)命令時(shí)， 將語(yǔ)音數(shù)據(jù)輸出給音頻轉(zhuǎn)換器進(jìn)行解碼、數(shù)模轉(zhuǎn)換，功率放大后把告警語(yǔ)音送到飛行員耳機(jī)完成故告警語(yǔ)音播放。

　　3.3 告警命令優(yōu)先級(jí)調(diào)度單元

　　語(yǔ)音告警系統(tǒng)功能是以分布在飛機(jī)各處的主要傳感器信號(hào)為觸發(fā)，將飛機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)、危險(xiǎn)狀況或通過(guò)數(shù)據(jù)鏈獲取的作戰(zhàn)任務(wù)命令， 根據(jù)信息的重要緊急程度的不同，在語(yǔ)音告警系統(tǒng)里將各系統(tǒng)的告警命令分成了不同的告警優(yōu)先級(jí)。一般將告警命令分為3 級(jí)：危險(xiǎn)級(jí)、警告級(jí)、注意級(jí)[6]，這樣按優(yōu)先權(quán)將告警命令分成先后順序。本系統(tǒng)采用的告警命令優(yōu)先級(jí)調(diào)度流程如圖6 所示。

　　4 結(jié)論

　　實(shí)踐證明， 采用ARM 微處理器和數(shù)字音頻轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的機(jī)載語(yǔ)音告警系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，告警語(yǔ)音的控制和播放更加靈活、快速，適應(yīng)復(fù)雜多變戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，符合體積小、重量輕、功耗低的機(jī)載需求。