一种基于ARM+FPGA架构的列车语音放大单元的制作方法

本发明属于嵌入式计算机领域，涉及一种基于arm+fpga架构的列车语音放大单元。

背景技术：

随着多媒体时代信息量的急剧增加，列车通信的信息量也随之增加，因此轨道交通对列车广播系统的性能提出了越来越高的要求。首先，音频传送网络通信要具有实时性的特点，这就要求通信设备的带宽不断提高；其次，列车广播对音质、音效的要求不断提高，这就需要提高采样频率以及增加数模转换的量化位数等；再次，列车广播需要根据环境噪音的变化自动调节广播音量，并且人工广播时应保证广播不受人为以及环境因素干扰，这就要求广播系统需要具有噪音检测以及自动增益控制等功能；最后，为了保证列车广播系统的稳定性，要求列车广播系统具有备份的特点，保证通信网络的畅通或者维持人工广播等基本功能。在此背景下，本发明提出了一种基于arm+fpga架构的列车语音放大单元，以满足当前列车广播系统的需求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种基于arm+fpga架构的列车语音放大单元，使用千兆以太网通信并且能够对各种格式的音频信号进行编解码以及功率放大，同时还能实现立体声音效、高低音频分路输出、音量与增益自动控制、磁感应电流检测以及音频降级等功能。

本发明的技术方案：

一种基于arm+fpga架构的列车语音放大单元，该列车语音放大单元包括三个功能模块：主控制模块、编解码放大模块、通信模块。

主控制模块由主控芯片及其外围器件组成，主要负责系统的初始化、音频的存储与处理、agc(自动增益控制)以及限幅限频算法的运行。主控芯片采用arm+fpga架构的处理器，内部包含双armcortex-a9内核、fpga以及动态内存控制接口、静态内存控制接口、sdio接口、千兆mac接口、uart接口等，其中双armcortex-a9内核和fpga通过axi高速总线相连，双arm内核主要负责音频信号的处理，fpga负责音频信号的转发、agc以及限幅限频算法的运行，agc算法用于将输入的不同幅值音频信号转换为相同幅值进行输出，限幅限频算法用于限定音频信号的幅频特性。外围器件包括ddr3内存芯片、flash芯片、inand芯片、cpld芯片以及时钟复位芯片；其中，ddr3内存芯片和主控芯片的动态内存控制接口相连，用于运行操作系统和应用程序；flash芯片和主控芯片的静态内存控制接口相连，用于存放bootloader文件；inand芯片和主控芯片的sdio接口相连作为应用程序以及音频文件的存储芯片；cpld芯片用于确保fpga中各种算法的安全性；时钟复位芯片用于给主控提供可靠的时钟以及复位信号。fpga扩展的千兆mac接口与通信模块的一路以太网物理层芯片相连，作为音频信号传输通路；主控芯片的千兆mac接口与通信模块的另一路以太网物理层芯片相连，作为通信网络的备份；主控芯片uart接口与fpga扩展uart接口分别与通信模块的rs232和rs485总线收发器相连，用于设备调试和噪检信号传输；fpga扩展spi、i2s以及i2c接口用于主控制模块与编解码放大模块间音频信号的传送以及配置管理。

编解码放大模块包括编解码子模块、功放子模块和检测子模块。编解码子模块由两路编解码芯片、双路开关以及滤波器组成。无损和有损两组编解码芯片实现了各种格式音频信号的编解码；双路开关控制两路编解码芯片的选通；滤波器负责对音频信号中的高低频分量进行分离。编解码子模块采用左右声道分离输出，音频信号经过不同的功率放大芯片可实现客室左右两侧播放不同内容，从而达到立体声的效果。功放子模块由四路数字功放芯片以及低通滤波器组成。四路数字功放芯片组成了左右声道低频通路、左右声道高频通路，左右声道高频通路和左右声道低频通路分别对应相应的中高频扬声器以及低频扬声器，避免使用全频带扬声器。检测子模块由磁感应电流检测器以及模拟音频通路组成。磁感应电流检测器通过霍尔效应来检测数字功放输出通路的电流，根据电流的变化可判定扬声器线路网络的短路与断路；模拟音频通路用于实现音频降级功能，即当通信网络故障时可接受模拟音频通路传送的音频信号，维持基本人工广播功能，编解码芯片内部集成了硬件自动增益控制功能，可使输入的音频信号达到相同的输出幅值，保证广播音量不受人为因素干扰。

通信模块由两路千兆以太网、rs485总线以及rs232总线组成，主要用于音频与噪检信号的传输以及设备单元调试。两路千兆以太网用于传送音频信号，其中一路位于设备单元的背板，另一路位于设备单元的面板，正常使用时音频信号通过设备单元的背板千兆以太网进入主控制模块，面板千兆以太网接口用于通信网络的备份，当背板千兆以太网故障时，可切换至面板千兆以太网，保证了广播系统的稳定性。以太网物理层芯片与主控制模块的emac(以太网媒体访问控制器)和mdio(物理层设备数据收发管理模块)接口相连，emac用于控制主控制模块到以太网物理层芯片的数据包流，mdio主要负责配置和监控与emac相连的以太网物理层芯片。以太网物理层芯片通过以太网变压器与外界以太网相连，实现了以太网物理层芯片与外界的隔离。车厢内左右两侧安放了噪音收集单元，rs485总线用于传送噪音收集单元发送的噪检信号，车厢两侧的各个噪音收集单元负责在广播的间隙检测车厢内的噪音值，将噪检信号通过rs485总线发回主控制模块，主控制模块的主控芯片负责计算各噪音收集单元检测到的噪音平均值，根据平均值大小对编解码芯片的输出增益进行调节，从而达到自动控制广播音量的目的。为了增强信号质量，rs485总线的收发器使用光耦与外界进行隔离。rs232总线主要用于设备单元的调试，通过rs232总线来调试设备单元的各功能模块，以验证各功能模块是否工作正常。

基于arm+fpga架构的列车语音放大单元运行方式如下：设备上电后主控制模块完成系统的初始化、编解码放大模块的配置管理以及运行应用程序和agc、限幅限频算法；音频信号经过通信模块的千兆以太网进入主控制模块，主控制模块的双arm内核以及fpga中的agc、限幅限频算法负责对音频信号进行处理，完成后经过spi、i2s接口转发至编解码放大模块，编解码子模块对音频信号解码后转发至功放子模块，功放子模块对其放大后驱动扬声器进行广播，检测子模块负责在广播时检测电流。广播的间隙噪音收集单元会检测噪音值，将噪检信号经过通信模块的rs485总线转发至主控芯片，实现音量自动控制。各功能模块协调工作，构成了完整的语音放大单元。

本发明的有益效果在于首先列车语音放大单元能够进行自动音量调节以及自动增益控制(agc)，从而保证乘客能够清晰听到自动广播或人工广播；其次，能够编解码各种格式的音频信号，满足了提升音质的需求；再次，高低音频信号分路输出，增加了扬声器的使用寿命；最后，具有检测和备份的功能，通过磁感应检测电流器、双路以太网通信以及音频降级功能保证了广播系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明列车语音放大单元的硬件结构框图。

图2是本发明列车语音放大单元的主控制模块。

图3是本发明列车语音放大单元的编解码放大模块。

图4是本发明列车语音放大单元的通信模块。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施方式。

基于arm+fpga架构的列车语音放大单元包括主控制模块、编解码放大模块和通信模块三部分，结构如图1所示。主控制模块负责系统的初始化、编解码放大模块的配置管理以及运行应用程序和agc、限幅限频算法等；通信模块负责接收网络上发送的音频信号与噪检信号；编解码放大模块负责对音频信号进行处理与放大，检测子模块则完成电流检测以及音频降级功能。此外，本设备采用dc-dc方式供电，将24v直流电压转换成相关芯片所需的电压进行供电。

主控制模块由主控芯片及其外围器件组成，如图2所示。主控芯片选用arm+fpga架构的芯片，该芯片将fpga与双armcortex-a9内核集成在一起，其由arm处理器而非fpga进行控制。设计人员可对arm处理器进行编程，根据需要来配置fpga，从而降低了设计门槛和周期，同时在fpga中可编程实现agc和限频限幅算法，可以对音频信号的幅频特性进行处理。主控芯片内含多种外设接口：包括一个访问空间1gb，支持ddr3的动态内存控制接口；一个支持quad-spi的静态内存控制接口；两个带有dma的sdio接口；两个兼容gmii/rgmii/sgmii的千兆mac接口；两个传输速率高达1mb/s的高速uart接口，如果外设过多可通过fpga进行接口扩展。本发明采用的两片ddr3内存芯片来构成1gb的内存空间，其bank地址为ba[0:2]，行地址为a[0:14]，列地址为a[0:9]，数据位宽为16位，用于操作系统和应用程序的运行；采用两片具有quad-spi接口的flash芯片来构成16mb的存储空间，用于存放bootloader文件，两片flash芯片共同构成8位数据读取接口，读取速度可达52mb/s，大大缩短了系统的启动时间；采用inand芯片用于应用程序以及音频文件的存储，inand芯片将内存控制器和nandflash集成在一起，主控制器只需对inand进行读写，内存控制器负责数据存储与接口协议等工作，这样不仅降低了主控芯片的工作负荷而且节约了系统资源；cpld芯片用于在fpga启动时，fpga给cpld发送一串码流，使cpld与fpga执行同样的算法，cpld执行算法后将运算结果送给fpga，若cpld与fpga结果一致则fpga运行程序，若不一致则锁定fpga，从而保证fpga中算法的安全性；时钟复位芯片用于给主控提供可靠的时钟以及复位信号。主控芯片千兆mac与fpga扩展千兆mac的通信接口都配置为rgmii接口，作为与通信模块的音频信号传输接口；主控芯片uart接口与fpga扩展uart接口分别与通信模块的rs232和rs485总线收发器相连，用于设备调试和噪检信号传输；fpga扩展的i2s与spi接口作为主控模块与编解码放大模块的音频信号传输接口，i2c用于编解码芯片的管理与配置。设备电源采用将24v直流电压通过开关电源芯片及外围电路转换成1.0v、1.2v、1.5v、1.8v、2.5v、2.8v和3.3v的方式来为相关芯片供电。

编解码放大模块包括编解码子模块、功放子模块和检测子模块三部分，如图3所示。编解码子模块包含两路编解码通路，其中一路为有损编解码通路，另一路为无损编解码通路。有损编解码通路负责mp3等压缩格式的音频信号编解码，音频信号通过spi接口进入编解码芯片的串行数据接口，然后传送至编解码芯片的dsp，经过dsp转发进入dac，最后经驱动器驱动输出音频信号，dac采用先进的∑-△过采样技术、采样率可调并且采样位数可达18位。无损编解码通路负责pcm、wav等非压缩格式的音频信号编解码，主控制模块通过i2c接口对其进行配置管理，音频信号通过i2s接口进入编解码芯片的音频串行接口，经过编解码芯片的处理后转发至dac，最后经过驱动器驱动输出音频信号，在8khz到96khz的频率范围内，dac支持16、20、24和32位采样。编解码芯片都具有输出增益可调的功能并且支持左右声道输出，左右声道分别连接不同的功率放大芯片，就可以实现客室内左右两侧同时播放不同内容，从而达到立体声的效果。根据音频格式的不同，主控制模块控制双路开关进行编解码芯片的选通，从而实现对不同格式的音频信号进行编解码。经过编解码后的音频信号分别经过低通与高通滤波器转化为低频与高频音频通路，从而实现音频信号的高低频分量的分离。功放子模块由四路数字功放芯片以及相应的低通滤波器组成。功放的工作过程为：当输入模拟音频信号时，首先将模拟音频信号通过比较器和pwm调制器转变成脉宽对应其幅度的高频pwm脉冲信号，经驱动电路驱动大功率开关器件工作，最后经过低通滤波器将pwm波形中的声音信息还原出来，推动扬声器等负载发声。检测子模块由磁感应电流检测器以及模拟音频通路组成。磁感应电流检测器通过将功放输出端的电流引入霍尔器件，霍尔器件利用霍尔效应将电流值转化为对应的电压差信号，将对应的电压差信号传至磁感应电流检测器的dsp，经dsp转换为对应电流值后转发至adc，adc将模拟信号转换为数字信号进入主控制模块，从而实现电流值的检测。模拟音频通路用于实现音频降级功能，因为模拟信号经过长线路传输有一定的损耗，所以发送端先对其进行升压，在接收端通过变压器进行降压，然后将音频信号送入编解码芯片的线性输入端，经过硬件自动增益调节可使输入的音频信号达到相同的输出幅值，最后音频信号经功放芯片进行功率放大后推动扬声器工作。

通信模块由两路千兆以太网、rs485总线以及rs232总线组成，如图4所示。为了满足通信的实时性要求，本发明采用两路千兆以太网传送音频信号，其中一路位于设备单元的背板，另一路位于设备单元的面板，正常使用时音频信号通过设备单元背板的千兆以太网进入主控制模块，面板千兆以太网接口用于通信网络的备份，当背板千兆以太网故障时，可切换至面板千兆以太网，保证了广播系统的稳定性。两路千兆以太网的emac与以太网物理层芯片之间的通信都配置为rgmii接口，其包括数据发送、接收、时钟、控制等12根信号线。mdio包含mdclk和data，分别为管理数据模块的时钟线和数据线。主控芯片内部集成了符合ieee802.3标准的emac和mdio。emac为设备与网络之间提供了一种高效的接口，用于实现mac层到以太网物理层芯片的数据包流控制；mdio使用一种共享的双线式总线去访问和控制以太网物理层芯片，主要负责配置和监控与emac相连的以太网物理层芯片，包括系统复位、中断及系统的优先级等。以太网物理层芯片通过变压器与外界以太网相连，以太网变压器主要起信号传输、阻抗匹配、波形修复、信号杂波抑制和高电压隔离等作用。rs485总线收发器与fpga扩展的uart接口相连，为了增强通信质量，rs485总线收发器与外部设备通过光耦进行隔离。为了排除广播的干扰，车厢两侧的各个噪音收集单元负责在广播的间隙检测车厢内的噪检值，将噪检值通过rs485总线发回主控制模块，主控制模块的主控芯片负责计算各噪音收集单元检测到的噪音平均值，根据噪检平均值大小对编解码芯片的输出增益进行调节，从而达到自动控制广播音量的目的。rs232总线的收发器与主控制模块的uart接口相连，rs232总线主要用于设备单元的调试，如内存读写、编解码芯片寄存器配置以及功放芯片的使能控制等，便于验证各功能模块是否工作正常。