基于ARM内核的机载语音告警录音控制设备研制与应用

刘洪海 秦玉磊 林德强 高伟 刘艳艳

摘要：为提高某型机载语音告警装置修理过程中的录音工作效率和语音质量，研制专用的录音控制设备，可实现对飞机机型、机号及语音通道号的控制及输入。设备所用的硬件由通用元器件构成，内部软件采用模块化设计，配合专用录音设备使用可提高语音录制的品质，满足修理需要。

关键词：机载语音告警装置；录音；硬件；软件

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

0 引言

机载语音告警装置为飞机机组人员和地面指挥台人员提供载机在飞行中紧急情况和危险状况下的语音告警，当飞机上发生紧急情况或达到极限工作状态时，能向飞行员耳机自动输出相应的事先存入的语音告警信号，同时向地面指挥所发出报警信号。某型机载语音告警装置以磁带为载体，共记录48段告警语音信息，其结构及原理同老式磁带录放音机。

某型飞机大修技术条件要求对每架飞机的磁带组件进行录音和放音功能检查测试。目前，三次大修飞机进厂较多，随着飞行时间的增长，磁带磨损老化加剧，磁带更换较为频繁，更换新的磁带后需要对48条语音信息重新录制。为提高修理过程中的录音工作效率和语音质量，需研制一台专用的录音控制设备。

1 告警内容录制需求

表1给出了部分告警语音播放内容。

由表1可知，单双座机的语音录制内容在7、10和11播放通道上有所不同，同时1～5通道和48通道需要录入具体的飞机号，这就需要在创建语音库时加以区分。每架飞机播放的机号有所不同，由0～9数字任意组合，经统计需增加的语音音频内容如表2所示。

2 技术方案

运用ARM内核微处理器进行控制输出，建立所需标准语音库文件，利用人机交互界面，将事先存储于标准语音库内的音频信息针对所需录制的磁带组件的飞机的机型、机号和通道号进行设置，并通过LCD显示器显示出来。依次播放组合后的音频文件（1～48通道），放大后输出至录音均衡控制单元进行电平调整及阻抗匹配。达到所需录音电平后，通过线路输至录音设备，完成语音录制工作。图1为原理方框图。

3 硬件电路设计

3.1 MCU介绍及选型

由于语音播放需工作在硬件与软件相结合的条件下，因此主CPU电路采用ARM系列Crotex M4内核系统架构的微处理器，选用STM32F429BIT6作为MCU主要核心部件。该CPU是一个具有208脚封装的集成芯片，最高主频可达180MHz，拥有的资源包括：256kB SRAM、2MB FLASH、17个定时器、1个DMA控制器、6个SPI、3个I2C、2个I2S、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口、1个FSMC 接口以及112个通用I/O口、1个JTAG接口，可以在线编程并具有下载仿真功能。该芯片还带外部总线（FSMC），可以用来外扩SRAM和连接LCD等。MCU器件内部系统架构如图2所示。

3.2 显示（含触摸屏）单元功能设计

该单元包含7in的TFT LCD高分辨率全彩电容触摸屏及相应驱动电路，其中显示屏分辨率为800×480。驱动电路内含一体专用控制芯片，具有LED背光驱动，屏幕显示比例为10∶6。该模块电源为5V供电，数据输入采用24位并行RGB接口，通过软件控制可实现0～255级PWM可调背光控制阶梯，完全满足使用需求。该模块与MCU单元采用40P（双排2×20P）排针接口，具体接口定义如表3所示。

3.3 语音库（Micro SD卡）存储与读取单元

本項目中语音库文件采用Micro SD卡管理与存储，方便移植及使用。Micro SD卡是一种为满足安全性、容量、性能和使用环境等需求而设计的新型存储器件，由专用卡槽安装在含有解码芯片的集成模块上，整个模块通过UART串口控制，支持MP3、WAV解码格式，最大支持32G TF卡存储，可通过USB数据线连接电脑更新TF卡存储语音库文件。该模块与MCU通过全双工串口通信，经串口输入输出控制程序，编制所需的语音信息播放组合，并通过MCU依次输出至音频处理与控制单元，连接电路图如图3所示。

3.4 音频处理与控制单元

本单元采用集成音频DAC芯片WM8978。该芯片集成了立体声麦克风差分前置放大器、扬声器和耳机驱动器、差分或者立体声线路输出驱动器。CPU和WM8978之间通过I2C和I2S接口连接。I2C接口（SCLK、SDIN）用于配置WM8978的工作状态（音量、外放和耳机切换、均衡控制等），I2S接口（LRC、BCLK、ADCDAT、MCLK）用于传输音频数据流。本设计WM8978和CPU之间选择2线模式进行连接。WM8978编解码器可工作在主模式或从模式下。内部PLL可以产生各种音频时钟。MCU与音频处理器电路连接原理图如图4所示。

3.5 电源供电单元

根据以上硬件平台搭建所需电源，电源模块电路如图5所示。本系统有以下几种电源：CPU的I/O口数字和模拟电源电压+3.3V、总线的隔离电源、LCD的驱动电源、LCD的背光逆变电源、其他外围设备电源电压+5V等电源。5V电源适配经过AMS1117-3.3和AMS1117-2.5产生3.3V和2.5V的直流电源供系统使用，整个设备采用便携式设计，内部设置了锂电池组以及充电电路，便于移动使用。

4 软件开发实施方案

4.1 软件开发架构及工作流程

本项目由STM32最小系统、SD卡的读取模块、TFT控制模块、触摸屏模块等组成。需要解决的问题包括SD卡的读取、使用FATFS系统对SD卡的操作、TFT液晶的控制及触摸屏操作、图形用户界面GUI的实现等。软件开发架构如图6所示，软件工作流程如图7所示。

4.2 软件编译总结

本项目软件程序完全自主设计，在C语言基础上，采用keil 5 μVision设计平台进行编制，各子程序采用模块化编制的方式组合而成，其中软件操作界面采用emWIN进行设计。软件编译示例如图8所示。经以上硬件、软件成型后调试完成的产品实物如图9所示。

5 结束语

结合装备维修保障的实际需求，采用技术成熟的STM32型RAM内核微处理器作为主控芯片，软件程序完全自主开发，可实现对飞机机型、机号及语音通道号的任意形式组合，具有智能化、人性化设计特点，且运行稳定可靠，方便维护。

参考文献

[1] 李明.机载语音告警装置技术使用手册[Z].中国航空工业第六〇一研究所，1999.

[2] 白永斌，张汉光，黄强.基于StemWin的STM32开发与实践[M].北京：电子工业出版社，2015.

作者简介

刘洪海，高级工程师，主要从事航空电子部附件研究及地面检测设备研制。

秦玉磊，工程师，主要从事航空装备修理质量监督。

林德强，工程师，主要从事航空电子部附件研究及地面检测设备研制。

高伟，技师，主要从事航空电子部附件修理工作。

刘艳艳，高级技师，主要从事航空电子部附件修理质量检验工作。