专利名称：航行数据记录仪的音频采集卡及多通道音频远程采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种航行数据记录仪的音频采集卡及多通道音频远程采集系 统，属于船舶工程领域。
背景技术：
船载航行数据记录仪(Voyage Data Recorder,简称VDR)是专门用于采集 和存储船舶航行过程中重要信息的智能化记录设备，集釆集、存储、监控等功 能于一体。当舰船发生事故时，可通过回放所记录的有关数据分析与査找事故 的原因。随着我国航海事业的不断发展，随着国际海事组织对VDR安装的强制 要求，VDR必将会有一个广大的市场，对VDR的研究也具有重要的意义。
根据《IEC61996-2000海上导航和无线电通信设备和系统，船载航行数据记 录仪的性能要求、试验方法和要求的检验结果》中的有关规定，船载航行数据 记录仪应能顺序记录有关船舶设备的状态和输出信号、船舶的指挥命令和操作 控制等数据项目，包括日期和时间、船位船速、驾驶室声音、通信声音、雷 达数据、回声测深仪、操舵命令和响应以及风速风向等。并且要求对上述各项 数据的连续存储能力至少在12个小时以上。其中驾驶室声音和通信声音是黑匣 子需记录的主要数据之一，记录的声音内容主要包括当时舱室中操作人员的语 音信息，出现的报警声音和甚高频通信电话的声音信息。在日常的船舶航行监 控或船舶发生事故后，可通过回放记录的相关音频数据以复现船舶出现事故时 关键区域的声音状况，对事故原因的分析与对日常的船舶航行评估都有重要的
作为VDR所需记录的数据中的重要一项，音频采集技术在近数十年中也取 得了巨大的进步。数字技术是随着现代电子技术及计算机技术的发展而发展起 来的，其在音频记录领域也得到了广泛的应用。它与模拟记录技术相比有巨大 的优势。数字化的音频信号进行传输和存储时，在可靠性、抗干扰能力、快速 变换、安全性等方面远胜于模拟的音频信号，并且数字系统灵活方便，价格低 廉。现在的基于非压縮技术的数字音频采集系统多是基于PC机与声卡组合的记录系统，具有高音质、易实现多声道音频采集与回放的优点，也属于无损记录
的范畴。但由于未进行数据压縮，通常会有较大的数据量，如现在CD中存储 的声音数据便是未经压縮的数据。通常几百兆的空间只能存储一个小时左右的
卞/f数据。
在VDR的系统中，由于主机或数据存储保护体中的电子盘容量有限(一般 为2 8GB)，且需存储12个小时以上的数据，如果采用此种方法，则会有很大 的数据量需要传输和存储，给整个系统带来极大的压力，现有的音频采集系难 以实现远程采集和传输，不适合应用在VDR系统中。
发明内容
本发明的目的是解决现在的基于非压縮技术的数字音频采集系统数据难以 实现远程采集及传输，不适合应用在VDR系统中的问题，提供了一种航行数据 记录仪的音频采集卡及多通道音频远程采集系统。
本发明的音频采集卡包括立体声音频编解码器、DSP、 CPLD选择电路和外 部存储器，立体声音频编解码器用于采集混音板音频输出信号和VHF通信音频 信号，立体声音频编解码器的I2C串行接口与DSP的I2C串行接口相连，DSP 的数据输入输出端与CPLD选择电路的控制选择输入输出端相连，CPLD选择 电路的存储输入输出端与外部存储器的输入输出端相连。
使用所述音频采集卡的多通道音频远程采集系统包括多个音频采集卡、 VDR主机和以太网，每个音频采集卡的以太网接口电路的第二输入输出端通过 以太网与VDR主机相连。
本发明的优点本发明所述音频采集卡压縮后的音频品质高，并轻松实现
音频的远程采集及传输，结构简单，成本低。
图1是音频采集卡的结构示意图及其与VDR主机的连接图，图2是多通道 音频远程采集系统的结构示意图，图3是CPLD选择电路在系统中与其他部件 的连接框图，图4是DSP与音频A/D和D/A模块的连接框图。
具体实施例方式
具体实施方式
一下面结合图1、图3和图4说明本实施方式，本实施方式 所述航行数据记录仪的音频采集卡包括立体声音频编解码器1、 DSP2、 CPLD选择电路3和外部存储器4，立体声音频编解码器1用于采集混音板音频输出信号和VHF通信音频信号，立体声音频编解码器1的I2C串行接口与DSP2的I2C串行接口相连，DSP2的数据输入输出端与CPLD选择电路3的控制选择输入输出端相连，CPLD选择电路3的存储输入输出端与外部存储器4的输入输出端相连。
立体声音频编解码器1采用TI公司的TLV320AIC23音频CODEC芯片。根据IEC61996的有关规定，航行数据记录仪需要记录的音频信号频带为舱室声音，即混音板音频输出的声音信号为150Hz 6000Hz， VHF通信音频信号为150Hz 3500Hz。根据Nyquist采样定理，采样频率乂必须大于或等于采样对象频率/￡的2倍
由上式可得采样混音板音频输出信号乂,和VHF通信音频信号乂2两个频段的采样频率范围分别为/sl 22x3400 = 6800Hz2x6000 = 12000 Hz
所以，为实现较高的音质，音频量化的采样率应高于12kHz，立体声音频编解码器1的采样位数应在16位以上。
在包含模拟信号的采集系统中，A/D与D/A的选取往往特别重要，选择满足系统性能的器件是系统成功的关键。在本设计中音频CODEC所实现的功能为对模拟的音频信号进行量化，以及将数字化的音频信号重建为模拟信号。TLV320AIC23是一款高性能音频CODEC芯片，所述TLV320AIC23以下简称AIC23，内置耳机输出放大器，支持MICIN和LINEIN两种输入方式，且输入和输出都具有可编程增益调节；AIC23芯片中集成的A/D转换器和D/A转换器均采用多位Sigma-Delta技术，数据采样的字长为16、 20、 24、 32bit可选，采样与重建的频率为8kHz 96kHz可配置;在采样率为96kHz的情况下A/D转换器信噪比达到90dB， D/A转换器达到100dB; AIC23的数字接口分为配置接口和数据交换接口两部分；配置接口有fC和SPI两种形式，主要作用为对AIC23进行配置；数据输出接口有I2S和DSP两种模式，可与DSP中的McBSP接口无缝对接。通过以太网可以传输相应的指令给DSP2，来配置AIC23的采样位数和采样率，根据具体情况的要求实现不同的音质。AIC23与DSP2的连接如图4所示。
立体声音频编解码器1采集的模拟信号转换成数字信号后传递给DSP2。DSP2采用TI公司的TMS320VC5509芯片。
通常DSP芯片的选择主要考虑以下因素器件主频、数据运算能力、适合于系统开发的外设、功耗、成本等方面。在本系统中DSP实现的功能为与音频CODEC的AIC23芯片接口，实现音频数字信号的量化；对量化后的数据进行滤波、压縮等方面的处理，并存储在外部存储器4中；控制网络接口等部件实现与VDR主机的数据交换。本实施方式中选用TI公司新近推出的专门用于音频领域的功能较强的定点DSP芯片TMS320VC5509。
TMS320VC5509(以下简称VC5509)是VC55x系列中的一员，不但运算能力强、外设接口丰富，而且功耗小、成本低。VC5509是TMS320C541的升级版，是21世纪初TI公司的技术创新产品，其显著特点是每兆指令功耗极低，为0.25mw/MIP。由于VC55x是在TMS320VC54x系列的基础上发展而来的，其源代码也与C54x的兼容。但VC55x内部的双乘法器、双ALU单元和多总线的结构使得其可在单时钟周期内运行两条并行指令，达到了 VC54x的2倍的周期效率(可达400MPS)，并且功耗只有VC54x的1/6。
外部存储器4采用SRAM。
CPLD选择电路3采用ALTERA公司的EPM7128芯片。由于在本系统需要扩展外部存储器4、网络接口芯片等部件，所以需要设计逻辑产生电路。EPM7128为ALTERA公司的MAX7000系列的产品，具有高阻抗、电可擦除等特点，可用门数为2500个，128个宏单元，8个LAB (Logic ArrayBlock)阵列快之间最大延迟为5ns，工作电压兼容5V、 3.3V。其在系统中实现的功能框图如图3所示。
图中EPM7128内部扩展了 FAR寄存器产生外部存储器4的高位分页地址，PA14 PA18共5位地址线。FAR寄存器的地址扩展在DSP2的CEO空间内，地址为0x40000，为8位数据长度。FAR寄存器的D4 D0位分别对应外部存储器4的页选通线的PA18 PA14。所以在对外部存储器4进行存取操作时应首先向FAR寄存器赋值选择32页中的一页。工作原理
立体声音频编解码器1采集的模拟信号(混音板音频输出信号和VHF通信音频信号)转换成数字信号后传递给DSP2，在DSP2中完成对音频的量化、滤波和压縮，并存储在外部存储器4中。
具体实施方式
二本实施方式与实施方式一的不同之处在于，它还包括非易失性存储器5， DSP2的第三输入输出端与非易失性存储器5的输入输出端相连，其它组成和连接关系与实施方式一相同。
非易失性存储器5采用AT25F1024串行FLASH存储器。
Flash (闪速存储器)是近些年发展起来的新型非易失性存储器，它具有掉电数据不丢失、快速的数据存取速度、电可擦除、容量大、在线可编程、价格低廉以及足够多的擦写次数(十万次)和较高的可靠性等诸多优点。
具体实施方式
三本实施方式与实施方式一的不同之处在于，它还包括以太网接口电路6， CPLD选择电路3的数据远程交互输入输出端与以太网接口电路6的第一输入输出端相连，其它组成和连接关系与实施方式一相同。
具体实施方式
四下面结合图2、图3说明本实施方式，本实施方式所述多通道音频远程采集系统是使用实施方式一所述的音频采集卡，本实施系统包括多个音频采集卡7、 VDR主机8和以太网，每个音频采集卡7的以太网接口电路6的第二输入输出端通过以太网与VDR主才几8相连。参见图2所示。
以太网接口电路6采用WIZnet公司的W5100固件网络芯片。
参见图3所示，W5100的数据接口采用了并行总线的方式，所以也有A0 A14共15条地址线，所以其高两位地址线的信号也需要由CPLD产生，为WA15、 WA14。另外，W5100的复位信号、选通信号等利用CPLD产生也有利于地址的更改和操作的方便。
多个音频采集卡7设置在不同的位置，分别采集相应的模拟信号，经过压縮存在各自的外部存储器4中，接到VDR主机8的命令后，通过以太网远程传送给VDR主机8。
权利要求
1、航行数据记录仪的音频采集卡，其特征在于，它包括立体声音频编解码器(1)、DSP(2)、CPLD选择电路(3)和外部存储器(4)，立体声音频编解码器(1)用于采集混音板音频输出信号和VHF通信音频信号，立体声音频编解码器(1)的I2C串行接口与DSP(2)的I2C串行接口相连，DSP(2)的数据输入输出端与CPLD选择电路(3)的控制选择输入输出端相连，CPLD选择电路(3)的存储输入输出端与外部存储器(4)的输入输出端相连。
2、 根据权利要求1所述的航行数据记录仪的音频采集卡，其特征在于，它 还包括非易失性存储器(5)， DSP (2)的数据暂存输入输出端与非易失性存储 器(5)的输入输出端相连。
3、 根据权利要求1或2所述的航行数据记录仪的音频采集卡，其特征在于， 它还包括以太网接口电路(6)， CPLD选择电路(3)的数据远程交互输入输出 端与以太网接口电路(6)的第一输入输出端相连。
4、 根据权利要求2所述的航行数据记录仪的音频采集卡，其特征在于，非 易失性存储器(5)采用AT25F1024串行FLASH存储器。
5、 根据权利要求3所述的多通道音频远程采集系统，其特征在于，以太网 接口电路(6)采用WIZnet公司的W5100固件网络芯片。
6、 根据权利要求3所述的航行数据记录仪的音频采集卡，其特征在于，立 体声音频编解码器(1)采用TI公司的TLV320AIC23音频CODEC芯片。
7、 根据权利要求3所述的航行数据记录仪的音频采集卡，其特征在于，DSP (2)采用TI公司的TMS320VC5509芯片。
8、 根据权利要求3所述的航行数据记录仪的音频采集卡，其特征在于， CPLD选择电路(3)采用ALTERA公司的EPM7128芯片。
9、 根据权利要求3所述的航行数据记录仪的音频采集卡，其特征在于，外 部存储器(4)采用SRAM。
10、 使用权利要求3所述的航行数据记录仪的音频采集卡的多通道音频远 程采集系统，其特征在于，它包括多个音频采集卡(7)、 VDR主机(8)和以 太网，每个音频采集卡(7)的以太网接口电路(6)的第二输入输出端通过以 太网与VDR主机(8)相连。
全文摘要
航行数据记录仪的音频采集卡及多通道音频远程采集系统，属于船舶工程领域，本发明是为了解决现在的基于非压缩技术的数字音频采集系统数据难以实现远程采集及传输，不适合应用在VDR系统中的问题。本发明所述音频采集卡的立体声音频编解码器用于采集混音板音频输出信号和VHF通信音频信号，立体声音频编解码器的I<sup>2</sup>C串行接口与DSP的I<sup>2</sup>C串行接口相连，通过CPLD选择电路来控制DSP是与外部存储器通讯还是通过以太网接口电路与VDR主机通讯。使用所述音频采集卡的多通道音频远程采集系统包括多个音频采集卡、VDR主机和以太网，每个音频采集卡的以太网接口电路的第二输入输出端通过以太网与VDR主机相连。
文档编号G07C5/00GK101650843SQ20091007280
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月7日 优先权日2009年9月7日
发明者孙晓梅, 王臣业, 志 郑 申请人:哈尔滨工程大学科技园发展有限公司