基于ARM內核的機載語音告警錄音控制設備研制與應用

劉洪海 秦玉磊 林德強 高偉 劉艷艷

摘要：為提高某型機載語音告警裝置修理過程中的錄音工作效率和語音質量，研制專用的錄音控制設備，可實現對飛機機型、機號及語音通道號的控制及輸入。設備所用的硬件由通用元器件構成，內部軟件采用模塊化設計，配合專用錄音設備使用可提高語音錄制的品質，滿足修理需要。

關鍵詞：機載語音告警裝置；錄音；硬件；軟件

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

0 引言

機載語音告警裝置為飛機機組人員和地面指揮臺人員提供載機在飛行中緊急情況和危險狀況下的語音告警，當飛機上發生緊急情況或達到極限工作狀態時，能向飛行員耳機自動輸出相應的事先存入的語音告警信號，同時向地面指揮所發出報警信號。某型機載語音告警裝置以磁帶為載體，共記錄48段告警語音信息，其結構及原理同老式磁帶錄放音機。

某型飛機大修技術條件要求對每架飛機的磁帶組件進行錄音和放音功能檢查測試。目前，三次大修飛機進廠較多，隨著飛行時間的增長，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48條語音信息重新錄制。為提高修理過程中的錄音工作效率和語音質量，需研制一臺專用的錄音控制設備。

1 告警內容錄制需求

表1給出了部分告警語音播放內容。

由表1可知，單雙座機的語音錄制內容在7、10和11播放通道上有所不同，同時1～5通道和48通道需要錄入具體的飛機號，這就需要在創建語音庫時加以區分。每架飛機播放的機號有所不同，由0～9數字任意組合，經統計需增加的語音音頻內容如表2所示。

2 技術方案

運用ARM內核微處理器進行控制輸出，建立所需標準語音庫文件，利用人機交互界面，將事先存儲于標準語音庫內的音頻信息針對所需錄制的磁帶組件的飛機的機型、機號和通道號進行設置，并通過LCD顯示器顯示出來。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行電平調整及阻抗匹配。達到所需錄音電平后，通過線路輸至錄音設備，完成語音錄制工作。圖1為原理方框圖。

3 硬件電路設計

3.1 MCU介紹及選型

由于語音播放需工作在硬件與軟件相結合的條件下，因此主CPU電路采用ARM系列Crotex M4內核系統架構的微處理器，選用STM32F429BIT6作為MCU主要核心部件。該CPU是一個具有208腳封裝的集成芯片，最高主頻可達180MHz，擁有的資源包括：256kB SRAM、2MB FLASH、17個定時器、1個DMA控制器、6個SPI、3個I2C、2個I2S、1個USB、1個CAN、3個12位ADC、1個12位DAC、1個SDIO接口、1個FSMC 接口以及112個通用I/O口、1個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），可以用來外擴SRAM和連接LCD等。MCU器件內部系統架構如圖2所示。

3.2 顯示（含觸摸屏）單元功能設計

該單元包含7in的TFT LCD高分辨率全彩電容觸摸屏及相應驅動電路，其中顯示屏分辨率為800×480。驅動電路內含一體專用控制芯片，具有LED背光驅動，屏幕顯示比例為10∶6。該模塊電源為5V供電，數據輸入采用24位并行RGB接口，通過軟件控制可實現0～255級PWM可調背光控制階梯，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 語音庫（Micro SD卡）存儲與讀取單元

本項目中語音庫文件采用Micro SD卡管理與存儲，方便移植及使用。Micro SD卡是一種為滿足安全性、容量、性能和使用環境等需求而設計的新型存儲器件，由專用卡槽安裝在含有解碼芯片的集成模塊上，整個模塊通過UART串口控制，支持MP3、WAV解碼格式，最大支持32G TF卡存儲，可通過USB數據線連接電腦更新TF卡存儲語音庫文件。該模塊與MCU通過全雙工串口通信，經串口輸入輸出控制程序，編制所需的語音信息播放組合，并通過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差分前置放大器、揚聲器和耳機驅動器、差分或者立體聲線路輸出驅動器。CPU和WM8978之間通過I2C和I2S接口連接。I2C接口（SCLK、SDIN）用于配置WM8978的工作狀態（音量、外放和耳機切換、均衡控制等），I2S接口（LRC、BCLK、ADCDAT、MCLK）用于傳輸音頻數據流。本設計WM8978和CPU之間選擇2線模式進行連接。WM8978編解碼器可工作在主模式或從模式下。內部PLL可以產生各種音頻時鐘。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

根據以上硬件平臺搭建所需電源，電源模塊電路如圖5所示。本系統有以下幾種電源：CPU的I/O口數字和模擬電源電壓+3.3V、總線的隔離電源、LCD的驅動電源、LCD的背光逆變電源、其他外圍設備電源電壓+5V等電源。5V電源適配經過AMS1117-3.3和AMS1117-2.5產生3.3V和2.5V的直流電源供系統使用，整個設備采用便攜式設計，內部設置了鋰電池組以及充電電路，便于移動使用。

4 軟件開發實施方案

4.1 軟件開發架構及工作流程

本項目由STM32最小系統、SD卡的讀取模塊、TFT控制模塊、觸摸屏模塊等組成。需要解決的問題包括SD卡的讀取、使用FATFS系統對SD卡的操作、TFT液晶的控制及觸摸屏操作、圖形用戶界面GUI的實現等。軟件開發架構如圖6所示，軟件工作流程如圖7所示。

4.2 軟件編譯總結

本項目軟件程序完全自主設計，在C語言基礎上，采用keil 5 μVision設計平臺進行編制，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進行設計。軟件編譯示例如圖8所示。經以上硬件、軟件成型后調試完成的產品實物如圖9所示。

5 結束語

結合裝備維修保障的實際需求，采用技術成熟的STM32型RAM內核微處理器作為主控芯片，軟件程序完全自主開發，可實現對飛機機型、機號及語音通道號的任意形式組合，具有智能化、人性化設計特點，且運行穩定可靠，方便維護。

參考文獻

[1] 李明.機載語音告警裝置技術使用手冊[Z].中國航空工業第六〇一研究所，1999.

[2] 白永斌，張漢光，黃強.基于StemWin的STM32開發與實踐[M].北京：電子工業出版社，2015.

作者簡介

劉洪海，高級工程師，主要從事航空電子部附件研究及地面檢測設備研制。

秦玉磊，工程師，主要從事航空裝備修理質量監督。

林德強，工程師，主要從事航空電子部附件研究及地面檢測設備研制。

高偉，技師，主要從事航空電子部附件修理工作。

劉艷艷，高級技師，主要從事航空電子部附件修理質量檢驗工作。