基于ARM 微处理器的机载语音告警系统设计

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。

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。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。

　　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。

　　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。