大秦线组合列车对讲电台新型语音记录装置

2011-05-14姚宇

铁道通信信号 2011年4期

姚宇

大秦线400 kHz+400 MHz组合列车对讲电台，当初是为了满足机车同步操控时司机间的通话联络而设计的。近几年，该电台需要承载400 MHz列尾信息的传输任务，但缺少录音功能，对事后安全分析和责任判定带来不利影响。为此，根据大秦线组合列车通信保障系统的要求，在现有设备基础上研制一种经济适用的内嵌式、大容量固态数字录音装置。

1 技术方案

车载组合电台目前使用在大秦线的和谐号交流传动机车上，双信道电台同时工作，受机车电磁环境干扰较大，尤其是400 kHz电台受干扰更为明显。为满足实际环境要求，对软、硬件及安装结构均需仔细考虑，选择合理的语音压缩编码算法和录音控制条件，保证有用信息不丢失，有效过滤无用的瞬间干扰信号;录音板安装在电台主机内部，除了选择稳定、可靠的元器件，还要考虑电路板的尺寸及安装后的电磁兼容问题。设计中应遵循同类产品语音记录逻辑，在录音过程中不需进行额外操作;增加录音功能后不能对既有设备有大的改动，便于使用和操作;语音记录开始启动时，机车电台与录音设备不能产生相互干扰，录音板故障时能够自动切断电源。

本方案确定了以ARM处理器为核心，采用ARM Developer Suit v1.2开发环境进行模块化设计的思路。ARM对接收静噪信号进行统计运算，消除突发干扰引起的接收静噪信号，提高录音功能的可靠性。选用具有主从USB接口的PDA并进行应用功能开发，实现对机车电台内置录音装置的数据查询、下载、回放和时间校准等功能，以方便数据下载转储和机车出入库的维护检测。

2 软硬件构成

2.1 软件组成

软件模块主要由USB口驱动软件、存储器管理软件、音频处理器驱动软件、语音数字编解码压缩算法、FAT32文件系统、录音控制软件部分组成。

2.2 硬件组成

机车组合对讲电台录音装置由内置式录音控制板及配套的PDA设备组成，如图1所示。

图1 组合对讲电台录音装置原理图

录音板硬件由ARM主控芯片AT91SAM7S64、时钟芯片 DS1307、存储芯片K9G8G08UOM、音频处理芯片UDA1341、电源芯片ACT4060及外围电路构成，如图2所示。

图2 录音板硬件原理框图

1．CPU。选用ATMEL公司的AT91SAM7S64，负责对所有外围芯片的管理。它集成了ARM7TDMI®ARM®Thumb®处理器，嵌入式 ICE电路仿真，支持调试通信高密度的16位指令集和高性能低功耗的32位RISC架构，拥有64K字节的高速Flash和16K字节的SRAM，丰富的外设资源，包括一个USB 2.0设备，使外部器件数目减至最低的完整系统功能集。Flash存储器可以通过JTAG-ICE进行编程，锁定位可以防止固件不小心被改写，而安全锁定位则可以保护固件的安全。复位控制器可以管理芯片的上电顺序以及整个系统。BOD和看门狗则可以监控器件是否正确工作。它是一个通用处理器，是连接PC或移动外设应用的理想芯片。

2．时钟芯片。选用美国 DALLAS公司的DS1307。它是I2C总线接口的实时时钟芯片，可独立于CPU工作，不受CPU主晶振及其电容的影响，且计时准确，月累积误差一般小于10 s。芯片还具有主电源掉电情况下的时钟保护电路，DS1307时钟靠后备电池维持工作，拒绝CPU对其读出和写入访问。同时还具有备用电源自动切换控制电路，因而可在主电源掉电和其他一些恶劣环境下保证系统时钟的定时准确性。它具有产生秒、分、时、日、月、年，及闰年自动调整功能。同时，DS1307内部还集成有一定容量、具有掉电保护特性的静态RAM，可用于保存一些关键数据。

3．音频处理芯片。采用 PILLIP公司的UDA1341芯片，低功耗，3.0 V供电;数字化AGC;ADC带有高通滤波器可消除直流电平引起漂移，支持2 V(RMS value)输入信号，具有过载检测，用于录音电控置;具有ADC和DAC电源独立控制;无需输入前滤波器;可通过L3接口实现各项功能控制。多种数据接口，兼容 I2S-bus，MSB-justified和LSB-justified格式;具有16，18或20位3种数据输入、输出，单帧输入、输出。DAC数字化音频处理能力，具有数字化输出音量控制，低音、高音音调控制，对各采样频率的去加重功能，静音控制功能。多功能音频组合能力，具有DAC和ADC极性控制、双声道立体声输入、MIC输入、差分输入、立体声线路输出、数字化峰值电平检测功能，具有高线性、宽动态范围、低失真的特点。

4．存储器。选用K9G8G08UOM，供电电压为2.7 ～ 3.6 V，存储单元矩阵为(1Gb+32Mb)x 8 b，数据寄存器为 (2kb +64b)x8b，页面大小为 (2K+64)Byte，随即读取时间60μs(Max)串信读取时间30 ns(Min)，存储单元为 2 b/每单元，编程时间为 800μs(Typ)，块擦除时间为 1.5 ms(Typ)，可擦写5000次，掉电后数据可保存10年。

2.3 接口设计

采用USB2.0协议标准，录音板为USB设备从控端，PDA为USB(Host)主控端。USB(Host)通过描述符了解设备的有关信息，根据这些信息，建立起通信，在这些描述符中，规定了设备所使用的协议、端点情况等。因此，USB驱动软件正确地提供描述符，是录音板与PDA设备正常通信的先决条件。

端点是USB设备与USB Host交换数据的硬件单元，USB Host与USB设备之间通过端点来传输数据。端点可通过Set Mode命令配置为4种不同的模式，分别为:非同步传输模式，同步输出传输模式，同步输入传输模式，同步输入输出传输模式。

3 工作原理

3.1 录音

当ARM检测到控制信号有效时，选择相应音频输入信号，使音频处理器将采集到的音频信号进行隔离、差分放大，对弱小信号进行自动增益控制，经A/D模数转换和逻辑缓冲器缓冲后送入DSP语音编码/解码运算控制器进行音频的编码压缩;在ARM主控模块的控制下，通过I2C总线与时钟芯片通信，以获取录音的时间信息，将所述第一步获得的编码压缩音频信号及日期、时间数据以文件形式存入FLASH存储芯片中。

录音记录文件按WAV文件格式保存于RECORD文件夹。文件名为 0000.WAV 到3999.WAV，每次文件名+1，到3999时，循环覆盖0000.WAV。文件名的创建时间为启动录音时刻时间，精度为秒，每秒录音长度为4K字节。由于电台连续发射时限为1 min，所以发话时最大记录时长为1 min，而收信不受此限制。最后一次录音文件名从 CONTROL.TXT内容中可查到，为 file no.后4位数。

控制信号优先级从高到低依次为:PTT信号、400 MHz接收静噪信号、400 kHz接收静噪信号。PTT信号选择音频为 MIC发送音频信号，400 MHz/400 kHz接收静噪信号为400 MHz/400 kHz接收音频信号。

3.2 数据下载与检测

通过对PDA应用软件的操作，可完成对录音板存储数据的下载、播放、试录和时间校准功能，其通信过程如下。

PDA设备插入到录音板的USB接口后，即对录音板进行USB设备搜索，并要求提供相应的描述符。在USB Host得到上述描述符后，即完成了设备的配置，识别出为Bulk-Only的Mass Storage设备，然后进入 Bulk-Only传输方式。在此方式下，USB与设备间的所有数据均通过Bulk-In和Bulk-Out来进行传输，不再通过控制端点传输任何数据。

在这种传输方式下，有3种类型的数据在USB和设备之间传送，即CBW、CSW和普通数据。CBW(Command Block Wrapper，即命令块包)是从USB Host发送到设备的命令，命令格式遵从接口中的bInterfaceSubClass所指定的命令块，这里为SCSI传输命令集。USB设备需要将SCSI命令从CBW中提取出来，执行相应的命令，完成以后，向Host发出反映当前命令执行状态的CSW(Command StatusWrapper)，Host根据CSW来决定是否继续发送下一个CBW还是数据。Host要求USB设备执行的命令可能为发送数据，则此时需要将特定数据传送出去，完毕后发出CSW，以使Host进行下一步的操作。