大秦線組合列車對講電臺新型語音記錄裝置

姚 宇

大秦線400 kHz+400 MHz組合列車對講電臺，當(dāng)初是為了滿足機(jī)車同步操控時司機(jī)間的通話聯(lián)絡(luò)而設(shè)計的。近幾年，該電臺需要承載400 MHz列尾信息的傳輸任務(wù)，但缺少錄音功能，對事后安全分析和責(zé)任判定帶來不利影響。為此，根據(jù)大秦線組合列車通信保障系統(tǒng)的要求，在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上研制一種經(jīng)濟(jì)適用的內(nèi)嵌式、大容量固態(tài)數(shù)字錄音裝置。

1 技術(shù)方案

車載組合電臺目前使用在大秦線的和諧號交流傳動機(jī)車上，雙信道電臺同時工作，受機(jī)車電磁環(huán)境干擾較大，尤其是400 kHz電臺受干擾更為明顯。為滿足實際環(huán)境要求，對軟、硬件及安裝結(jié)構(gòu)均需仔細(xì)考慮，選擇合理的語音壓縮編碼算法和錄音控制條件，保證有用信息不丟失，有效過濾無用的瞬間干擾信號;錄音板安裝在電臺主機(jī)內(nèi)部，除了選擇穩(wěn)定、可靠的元器件，還要考慮電路板的尺寸及安裝后的電磁兼容問題。設(shè)計中應(yīng)遵循同類產(chǎn)品語音記錄邏輯，在錄音過程中不需進(jìn)行額外操作;增加錄音功能后不能對既有設(shè)備有大的改動，便于使用和操作;語音記錄開始啟動時，機(jī)車電臺與錄音設(shè)備不能產(chǎn)生相互干擾，錄音板故障時能夠自動切斷電源。

本方案確定了以ARM處理器為核心，采用ARM Developer Suit v1.2開發(fā)環(huán)境進(jìn)行模塊化設(shè)計的思路。ARM對接收靜噪信號進(jìn)行統(tǒng)計運算，消除突發(fā)干擾引起的接收靜噪信號，提高錄音功能的可靠性。選用具有主從USB接口的PDA并進(jìn)行應(yīng)用功能開發(fā)，實現(xiàn)對機(jī)車電臺內(nèi)置錄音裝置的數(shù)據(jù)查詢、下載、回放和時間校準(zhǔn)等功能，以方便數(shù)據(jù)下載轉(zhuǎn)儲和機(jī)車出入庫的維護(hù)檢測。

2 軟硬件構(gòu)成

2.1 軟件組成

軟件模塊主要由USB口驅(qū)動軟件、存儲器管理軟件、音頻處理器驅(qū)動軟件、語音數(shù)字編解碼壓縮算法、FAT32文件系統(tǒng)、錄音控制軟件部分組成。

2.2 硬件組成

機(jī)車組合對講電臺錄音裝置由內(nèi)置式錄音控制板及配套的PDA設(shè)備組成，如圖1所示。

圖1 組合對講電臺錄音裝置原理圖

錄音板硬件由ARM主控芯片AT91SAM7S64、時鐘芯片 DS1307、存儲芯片K9G8G08UOM、音頻處理芯片UDA1341、電源芯片ACT4060及外圍電路構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 錄音板硬件原理框圖

1．CPU。選用ATMEL公司的AT91SAM7S64，負(fù)責(zé)對所有外圍芯片的管理。它集成了ARM7TDMI?ARM?Thumb?處理器，嵌入式 ICE電路仿真，支持調(diào)試通信高密度的16位指令集和高性能低功耗的32位RISC架構(gòu)，擁有64K字節(jié)的高速Flash和16K字節(jié)的SRAM，豐富的外設(shè)資源，包括一個USB 2.0設(shè)備，使外部器件數(shù)目減至最低的完整系統(tǒng)功能集。Flash存儲器可以通過JTAG-ICE進(jìn)行編程，鎖定位可以防止固件不小心被改寫，而安全鎖定位則可以保護(hù)固件的安全。復(fù)位控制器可以管理芯片的上電順序以及整個系統(tǒng)。BOD和看門狗則可以監(jiān)控器件是否正確工作。它是一個通用處理器，是連接PC或移動外設(shè)應(yīng)用的理想芯片。

2．時鐘芯片。選用美國 DALLAS公司的DS1307。它是I2C總線接口的實時時鐘芯片，可獨立于CPU工作，不受CPU主晶振及其電容的影響，且計時準(zhǔn)確，月累積誤差一般小于10 s。芯片還具有主電源掉電情況下的時鐘保護(hù)電路，DS1307時鐘靠后備電池維持工作，拒絕CPU對其讀出和寫入訪問。同時還具有備用電源自動切換控制電路，因而可在主電源掉電和其他一些惡劣環(huán)境下保證系統(tǒng)時鐘的定時準(zhǔn)確性。它具有產(chǎn)生秒、分、時、日、月、年，及閏年自動調(diào)整功能。同時，DS1307內(nèi)部還集成有一定容量、具有掉電保護(hù)特性的靜態(tài)RAM，可用于保存一些關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

3．音頻處理芯片。采用 PILLIP公司的UDA1341芯片，低功耗，3.0 V供電;數(shù)字化AGC;ADC帶有高通濾波器可消除直流電平引起漂移，支持2 V(RMS value)輸入信號，具有過載檢測，用于錄音電控置;具有ADC和DAC電源獨立控制;無需輸入前濾波器;可通過L3接口實現(xiàn)各項功能控制。多種數(shù)據(jù)接口，兼容 I2S-bus，MSB-justified和LSB-justified格式;具有16，18或20位3種數(shù)據(jù)輸入、輸出，單幀輸入、輸出。DAC數(shù)字化音頻處理能力，具有數(shù)字化輸出音量控制，低音、高音音調(diào)控制，對各采樣頻率的去加重功能，靜音控制功能。多功能音頻組合能力，具有DAC和ADC極性控制、雙聲道立體聲輸入、MIC輸入、差分輸入、立體聲線路輸出、數(shù)字化峰值電平檢測功能，具有高線性、寬動態(tài)范圍、低失真的特點。

4．存儲器。選用K9G8G08UOM，供電電壓為2.7 ～ 3.6 V， 存 儲 單 元 矩 陣 為(1Gb+32Mb)x 8 b，數(shù)據(jù)寄存器為 (2kb +64b)x8b，頁面大小為 (2K+64)Byte，隨即讀取時間60μs(Max)串信讀取時間30 ns(Min)，存儲單元為 2 b/每單元，編程時間為 800μs(Typ)，塊擦除時間為 1.5 ms(Typ)，可擦寫5000次，掉電后數(shù)據(jù)可保存10年。

2.3 接口設(shè)計

采用USB2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，錄音板為USB設(shè)備從控端，PDA為USB(Host)主控端。USB(Host)通過描述符了解設(shè)備的有關(guān)信息，根據(jù)這些信息，建立起通信，在這些描述符中，規(guī)定了設(shè)備所使用的協(xié)議、端點情況等。因此，USB驅(qū)動軟件正確地提供描述符，是錄音板與PDA設(shè)備正常通信的先決條件。

端點是USB設(shè)備與USB Host交換數(shù)據(jù)的硬件單元，USB Host與USB設(shè)備之間通過端點來傳輸數(shù)據(jù)。端點可通過Set Mode命令配置為4種不同的模式，分別為:非同步傳輸模式，同步輸出傳輸模式，同步輸入傳輸模式，同步輸入輸出傳輸模式。

3 工作原理

3.1 錄音

當(dāng)ARM檢測到控制信號有效時，選擇相應(yīng)音頻輸入信號，使音頻處理器將采集到的音頻信號進(jìn)行隔離、差分放大，對弱小信號進(jìn)行自動增益控制，經(jīng)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換和邏輯緩沖器緩沖后送入DSP語音編碼/解碼運算控制器進(jìn)行音頻的編碼壓縮;在ARM主控模塊的控制下，通過I2C總線與時鐘芯片通信，以獲取錄音的時間信息，將所述第一步獲得的編碼壓縮音頻信號及日期、時間數(shù)據(jù)以文件形式存入FLASH存儲芯片中。

錄音記錄文件按WAV文件格式保存于RECORD文件夾。文件名為 0000.WAV 到3999.WAV，每次文件名+1，到3999時，循環(huán)覆蓋0000.WAV。文件名的創(chuàng)建時間為啟動錄音時刻時間，精度為秒，每秒錄音長度為4K字節(jié)。由于電臺連續(xù)發(fā)射時限為1 min，所以發(fā)話時最大記錄時長為1 min，而收信不受此限制。最后一次錄音文件名從 CONTROL.TXT內(nèi)容中可查到，為 file no.后4位數(shù)。

控制信號優(yōu)先級從高到低依次為:PTT信號、400 MHz接收靜噪信號、400 kHz接收靜噪信號。PTT信號選擇音頻為 MIC發(fā)送音頻信號，400 MHz/400 kHz接收靜噪信號為400 MHz/400 kHz接收音頻信號。

3.2 數(shù)據(jù)下載與檢測

通過對PDA應(yīng)用軟件的操作，可完成對錄音板存儲數(shù)據(jù)的下載、播放、試錄和時間校準(zhǔn)功能，其通信過程如下。

PDA設(shè)備插入到錄音板的USB接口后，即對錄音板進(jìn)行USB設(shè)備搜索，并要求提供相應(yīng)的描述符。在USB Host得到上述描述符后，即完成了設(shè)備的配置，識別出為Bulk-Only的Mass Storage設(shè)備，然后進(jìn)入 Bulk-Only傳輸方式。在此方式下，USB與設(shè)備間的所有數(shù)據(jù)均通過Bulk-In和Bulk-Out來進(jìn)行傳輸，不再通過控制端點傳輸任何數(shù)據(jù)。

在這種傳輸方式下，有3種類型的數(shù)據(jù)在USB和設(shè)備之間傳送，即CBW、CSW和普通數(shù)據(jù)。CBW(Command Block Wrapper，即命令塊包)是從USB Host發(fā)送到設(shè)備的命令，命令格式遵從接口中的bInterfaceSubClass所指定的命令塊，這里為SCSI傳輸命令集。USB設(shè)備需要將SCSI命令從CBW中提取出來，執(zhí)行相應(yīng)的命令，完成以后，向Host發(fā)出反映當(dāng)前命令執(zhí)行狀態(tài)的CSW(Command StatusWrapper)，Host根據(jù)CSW來決定是否繼續(xù)發(fā)送下一個CBW還是數(shù)據(jù)。Host要求USB設(shè)備執(zhí)行的命令可能為發(fā)送數(shù)據(jù)，則此時需要將特定數(shù)據(jù)傳送出去，完畢后發(fā)出CSW，以使Host進(jìn)行下一步的操作。

4 技術(shù)特點

該數(shù)字錄音裝置采用了ARM嵌入式系統(tǒng)、數(shù)字信號處理技術(shù)和大容量FLASH固態(tài)存儲技術(shù)，把一體化小型數(shù)字錄音設(shè)備置于機(jī)車電臺內(nèi)部，增加了既有車載電臺的功能，錄音裝置使用方便，經(jīng)濟(jì)實用，具有如下技術(shù)特點。

1.多聲源自動選擇。

2.優(yōu)先級多重控制錄音。

3.手持式設(shè)備使用方便，功能實用，對車載記錄器進(jìn)行數(shù)據(jù)下載、播放、試錄、校時等。

4.記錄數(shù)據(jù)防刪除，記錄文件可達(dá)4000條。

5.后備電池的電子日歷，低功耗長壽命，記錄數(shù)據(jù)掉電不丟失。

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(責(zé)任編輯:諸 紅)