基于ARM微处理器的机载语音告警系统设计

宋霄罡，翟正军，任岚昆

（西北工业大学 计算机学院，陕西 西安 710072）

飞机语音告警系统是新型飞机必备的一种机载设备，其作用是将飞机当前的工作状态、危险状况或者通过数据链获取的作战任务命令，实时以语音方式告知飞行员[1]。在飞机飞行过程中飞行员一般是通过安装在座舱里的操作台、仪表和告警信号灯来了解飞机各个系统的工作状态。由于飞行员在飞行时为完成相应的飞行任务，注意力高度集中在飞行高度、速度和雷达参数等数据信息上，对飞机故障信息的注意力要相对弱一些，这样就会出现飞行员不能及时地对故障采取措施，从而导致严重的飞行事故。同时，目前大多数新研制或改装的飞机都有数据链系统，许多作战任务命令不再单纯依靠地面指挥人员或长机的语音传达，可通过数据链或根据战场态势产生，并及时告知飞行员，因此，针对某新型飞机的研制要求，设计了基于ARM单片机的语音告警系统。

1 系统总体框架设计与工作原理

语音告警系统由以下6部分组成：语音命令输入单元、语音命令真伪和优先权判断单元、告警语音播放单元、电源及其监控单元、自检测单元和调试接口，系统设计框图如图1所示。

图1 系统设计框图Fig.1 Block diagram of system design

系统的语音告警数据可以通过JTAG预先装载到非遗失的NAND Flash中，系统上电后自动将告警软件和语音告警数据加载到SDRAM中。系统工作时，通过RS422接收外系统传来的一个或多个告警命令，按照告警命令的优先级依次发出告警语音。当新的告警命令优先级高于当前告警命令时，中断当前告警语音；当高优先级的告警命令处理结束后，接着依次发出较低一级的告警语音。

2 硬件设计

2.1 ARM处理器单元

ARM处理器单元由S3C2440型ARM、存储单元的NAND Flash和SDRAM组成。

2.1.1 S3C2440寻址原理

S3C2440是基于ARM920T内核的16/32位RISC微处理器[2]，提供32位地址总线，可以访问4 Gb的线性地址空间，而S3C2440的内部地址总线是30 b，能够访问的最大外部地址空间是1 GB，可见S3C2440仅利用ARM920T 32位地址空间的低30位。S3C2440将1 GB的外部地址空间分成了8个存储器组，每个组的大小128 MB，其中6个用于ROM、SRAM 等存储器，2个用于 ROM、SRAM、SDRAM 存储器。S3C2440对外寻址时，采用了部分译码的方式，低位地址线用于外围存储器的片内寻址，高位地址线用于外围存储器的片外寻址。高3位ADDR[29:27]来选择该地址属于哪一个存储器组，ADDR[26:0]来实现相应存储器组的内部寻址，寻址范围为128 MB，从而使得其外围地址访问空间为1 GB。

2.1.2 存储单元设计

NAND Flash接口信号较少（如图2所示），数据宽度只有8 b，没有地址总线，地址、数据总线复用，串行读取，以页（page）为单位进行读写，以块（block）为单位进行擦除[3]。操作NAND Flash时，先传输命令，然后再传输地址，最后读写数据。本系统采用64 M×8 bit的K9F1208，其组织方式可以分4类地址：

1）Column Address表示数据在半页中的地址，大小范围0～255，用 A[0:7]表示；

2）Halfpage Pointer表示半页在整页中的位置，即在0～255空间或256～511空间，用A[8]表示；A[8]=00为上半页，A

[8]=01为下半页；

3）Page Address表示页在块中的地址，大小范围0～31，用 A[9:13]表示；

4）Block Address表示块在Flash中的位置，大小范围0～4 095，A[14:25]表示。

对NAND Flash操作时，地址分4个周期传送。

图2 S3C2440与NAND Flash连接图Fig.2 Interface connection diagram between S3C2440 and NAND Flash

2.2 音频及功放单元

系统采用CS4331完成数字音频信号的转换，CS4331是完全立体声数字音频转换器，集成了数字插值、调制、数模转换、低通滤波功能。CS4331转换后的模拟信号功率经放大后以差分方式输出，如果存在干扰信号，会对差分信号产生相同的干扰，通过二者之差，干扰信号的有效输入为零，达到了抗共模干扰的目的，音频转换及功放电路如图3所示。

图3 音频转换及功放电路Fig.3 Audio converter and amplifier circuit

2.3 电源及其监控单元

机载设备要求能耐受飞机电源的浪涌、冲击，并能够在掉电50 ms内系统仍能正常工作，必须设计电源滤波和掉电保护模块。采用法拉电容对电源模块做特殊设计，其电路如图4所示。

二极管VD1和R2实现了系统的正常供电，二极管VD2和R1完成储能电容C1的充电，并能够限制加电瞬间的充电电流。VD1，VD2和VD3的单向导电性保证储能电容C1在飞机电源掉电时，只给本电路板供电。同时电阻R2和电容C2，C3一起用于电源滤波，消除电源浪涌和尖峰。依据电路保持工作所需能量需与法拉电容减少能量相等[4]的原则，可知：

式中，C为法拉电容的标称容量，F；Uwork为电路中的正常工作电压，V；Umin为电路能工作的最低电压，V；T为电路中要求的保持时间，s；I为电路的负载电流，A。

则有

由式（3）推导可得：

根据语音告警系统的设计方案和所选用的元器件，系统正常工作所需要的电流约为0.2 A，系统工作电压为3.3 V，最小工作电压为3 V，要求掉电时间为0.05 s，据此由式（4）可计算出所需要的法拉电容为：

按照10倍的设计余度，本文选择0.47 F电容作为储能元件，可实现掉电时间最大为700 ms的掉电保护，完全满足机载设备的要求。

图4中MAX811为电源监控器件，当监控到系统电源低于阈值3 V时，产生复位信号以确保系统工作正常。

图4 掉电保护处理电路Fig.4 Power-down protection circuit

3 软件设计

3.1 U-Boot的移植

因 1.1.4 版本 U-Boot（Universal Boot Loader）并不支持本系统设计所使用的微处理器S3C2440，但对S3C2410有完善的支持[5]。本文U-Boot移植工作在微处理器S3C2410的基础上展开，U-Boot移植操作实际上就是根据系统硬件资源对相关的文件进行修改。本系统相关硬件由S3C2440嵌入式微处理器、64 MB的NAND Flash、64 MB的SDRAM及串口组成，这里关键介绍存储系统的初始化部分：

1）Flash驱动程序采用board/Cmi/Flash.c，由于Cmi中的flash.c写入时要交换字节，因而删除了其write_short（）和write_buff（）函数，利用 board/ep7312/Flash.c 中 write_word（）和 write_buff（）函数，并且把flash.c中的FLASH_BASE_PRELIM改为CFG_FLASH_BASE。 把 FLASH_BLOCK_SIZE改为 0x4000，（NAND Flash K9F1208块的大小是16 KB。

2）Board/smdk2410/smdk2410.c 中函数 dram_init（） 定义了SDRAM的真实地址和实际大小。由于本设计中，SDRAM的大小为64 MB，所以修改Include/configs/Smdk2410.h中的PHYS_SDRAM_1_SIZE，改为 0x04000000。

经过以上修改后生成目标代码，通过JTAG将二进制文件烧入NAND Flash。烧写成功后通过超级终端进行测试，测试结果表明U-Boot移植成功并且可以在系统板上稳定运行。

3.2 系统软件流程

系统的软件流程如图5所示，系统上电或复位后，从NAND Flash启动，S3C2440把 NAND Flash的前4 KB加载到SDRAM中，并把SDRAM的首地址设为0x00000000，CPU从0x00000000开始执行。NAND Flash的前4 KB程序中包含从NAND Flash把BootLoader（引导加载程序）的其余部分装入SDRAM的程序，进行系统初始化；系统接收到RS422接口传来的告警命令后首先进行告警命令真伪及优先权判定，当判定当前告警命令为真并且为优先级最高后，系统从SDRAM读取告警语音数据；当检测到此时系统无新告警命令或高优先级命令时，将语音数据输出给音频转换器进行解码、数模转换，功率放大后把告警语音送到飞行员耳机完成故告警语音播放。

3.3 告警命令优先级调度单元

语音告警系统功能是以分布在飞机各处的主要传感器信号为触发，将飞机当前的工作状态、危险状况或通过数据链获取的作战任务命令，根据信息的重要紧急程度的不同，在语音告警系统里将各系统的告警命令分成了不同的告警优先级。一般将告警命令分为3级：危险级、警告级、注意级[6]，这样按优先权将告警命令分成先后顺序。本系统采用的告警命令优先级调度流程如图6所示。

图5 系统软件流程Fig.5 Flow chart of system software

图6 告警命令优先级调度流程Fig.6 Flow chart of warning-command priority

4 结 论

实践证明，采用ARM微处理器和数字音频转换器设计的机载语音告警系统工作稳定、可靠，告警语音的控制和播放更加灵活、快速，适应复杂多变战场环境，符合体积小、重量轻、功耗低的机载需求。

[1]张忍.基于MP3的飞机语音告警系统设计[D].成都:电子科技大学，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.法拉电容在掉电保护中的应用[J].单片机与嵌入式系统应用，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]张徽，张华春.U-Boot在S3C2440上的移植方法[J].电子器件，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，丁兆军.飞机语音告警系统的研究[J].沈阳航空工业学院学报， 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.