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网络化嵌入式铁路调度监听系统的研究

作　者: 唐琳
导　师: 方方
学　校: 成都理工大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 以太网大容量语音记录 FPGA
分类号: TN912.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

电话语音监听以其可备份和可回放、实时性高、方便查询等特性在几乎所有调度行业上得到了广泛的应用，如安保、交通、核电、银行、铁路等行业。随着电子技术、网络信息技术、语音编解码技术和集成芯片技术的迅猛发展，电话语音监听从最初的磁带式的监听设备发展到如今的基于以太网的大容量嵌入式监听设备，无论是在在功能上还是在存储容量等方面，语音监听都今非昔比。特别是随着嵌入式实时操作系统、片上系统以及网络技术的出现，语音监听设备也在朝着小型化、网络化的方向发展。在发展的历程中也经历了基于PC机、FLASH芯片以及移动硬盘等各种媒介的监听设备，但最终都因为成本过高、体积太大、存储容量有限等缺陷无法满足大多数用户的需要。基于上述需求，本文成功研发设计了一种网络化的嵌入式语音监听系统。相对于普通的语音监听系统，本系统具有更高的可靠性、更大的接口灵活性、更高的信息安全性、更好的电磁兼容性。网络化的嵌入式语音监听系统组成部分包括语音采集电路、AD控制电路、存储电路、3.5寸LCD电阻屏接口电路、USB2.0接口控制器、SD卡接口、振铃检测及电话解码电路、语音信息前端调理电路、以太网接口电路以及S3C2440核心电路等。基于微处理器S3C2440的嵌入式系统平台，整个系统架构采取模块化设计，这种设计方式降低了开发的难度，提高了系统的可靠性，降低了发成本。各个模块可独立调试，独立运行。本系统主要包括为主控模块、AD配置和音频采集模块、音频解码播放模块、外部存储器接口模块以及网络通讯模块五个部分，本文对这五个部分的硬件电路图进行了分析、设计并完成了裸机程序的测试。主控模块在整个系统中处于核心地位，该模块完成系统控制、数据通讯以及语音数据处理等功能。主控模块采用六层核心板设计，核心芯片S3C2440片上集成了SPI总线接口和I2S总线接口，可以直接跟FPGA以及带有I2S接口的声卡芯片进行通信。数据采集板把采集到的音频数据通过SPI总线传递给主控模块，主控模块对收到的音频数据进行特定编码，经过编码之后的数据就可以通过I2S接口给声卡播放出来，同时也在外设中存储起来作为后期查询的备份。AD配置和音频采集模块主要由ADI的语音采集芯片AD1974和ALTERACYCLONE IV系列的EP4CE6E22C8组成。在本系统中AD1974同时对四路音频进行采集（如有需要该芯片还可以扩展成同时采集16路音频），并把采集到的数据通过SPI总线传递给FPGA进行初处理。AD采集出来的四路音频数据包含64个bit，第一、二、三、四通道的数据分别位于管脚ASDATA1和ASDATA2上，ASDATA1管脚上的数据格式是一通道32bit和二通道32bit，同样ASDATA2管脚上的数据格式就是三通道的32bit和四通道的32bit。由于我们对AD1974配置的是16bit量化，延迟一个位时钟接收数据，所以每个32bit的数据最高位都是无效位，有效数据是从次高位开始的16bit数据。根据对有效数据的计算，FPGA把四个通道的64bit有效数据取出来并按通道顺序整合到一起成为一帧数据。为了方便操作系统中数据的传递，每个通道的16bit数据格式都是低八位在前，高八位在后。考虑到不同系统之间数据传输的同步问题，特意把每个通道的最低两位替换成通道号(四个通道的通道号分别为00、01、10、11)，再通过SPI总线传递给主控模块。FPGA还负责控制语音采集芯片的配置、语音数据的存储、处理以及传输，这种采用FPGA和CPU共同控制语音采集芯片的方式，不但提高了系统的实时性和效率，同时也在设计上降低了难度。音频解码播放模块的核心芯片是飞利浦的UDA1341，UDA1341是专业级的声卡芯片，该芯片片上集成了可编程增益控制模块和滤波模块，在比较恶劣的坏境中也可以录制出比较纯净的声音，对背景噪声有很好的滤除效果，播放音频文件的效果也比较好。在本系统中，该模块的主要功能是通过I2S总线接口跟主控模块进行通信，接收主控模块编码后的语音监听信息，并把这些信息实时播放出来。外部存储器接口模块包括USB接口和SD卡接口，USB接口方便外扩硬盘，使得存储容量大大增加。通过USB接口可以对数据进行存储、传输、处理，USB接口也可以连接键盘、无线网卡等外围设备，在该接口上使用了USB2.0OTG（On-The-Go）技术，实现了在没有Host的情况下完成从设备之间的数据传递，使本系统摆脱了主从架构的限制，实现了端对端的数据传输模式，即允许USB在没有HOST的情况下也可以实现从设备间的数据传输，这也就解决了基于PC机的监听设备所面临的成本高、体积大的问题。此外，SD卡和USB接口都支持热插拔，这对调度现场的语音监听具有实际意义。网络通讯模块设计了以太网控制器，核心芯片DM9000自适应速度10M/100M，通过控制器接入局域网和Internet，可以将监听记录下来的语音信息上传到网络终端，实现多个站点之间的信息交互与共享。网络技术的引入是本系统的一大创新，网络化的语音监听系统也是最近几年在监听行业出现的一个新的趋势，并以它独特的资源共享优势逐步替代了以往传统的监听设备。

全文目录

摘要  4-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-16
  1.1 研究背景  12
  1.2 语音监听设备的发展现状  12-13
    1.2.1 基于 PC 机的语音监听设备  12
    1.2.2 基于 FLASH 的语言监听设备  12-13
    1.2.3 基于移动硬盘的大容量语音监听设备  13
  1.3 研究的目的和意义  13-14
  1.4 主要研究内容和结构体系  14-16
    1.4.1 论文主要研究内容  14
    1.4.2 论文结构体系  14-16
第2章系统总体功能设计  16-21
  2.1 系统设计目标  16-17
    2.1.1 技术指标  16-17
  2.2 设计方案选择  17-18
  2.3 系统总体设计  18-21
    2.3.1 硬件设计  18-19
    2.3.2 软件设计  19-21
第3章系统硬件实现  21-40
  3.1 元器件选型  21-24
    3.1.1 嵌入式元器件选型  21-23
    3.1.2 FPGA 选型  23
    3.1.3 AD 和 DA 选型  23-24
  3.2 核心板设计  24-25
  3.3 主板设计  25-32
    3.3.1 音频解码播放电路  25-27
    3.3.2 电话调度接口电路  27-28
    3.3.3 四路监听信号前端调理电路  28-29
    3.3.4 USB 接口电路  29-30
    3.3.5 SD 卡接口电路  30-31
    3.3.6 网络接口电路  31
    3.3.7 LCD 显示屏接口电路  31-32
  3.4 数据采集板设计  32-37
    3.4.1 AD 采集电路  32-36
    3.4.2 FPGA 电路  36-37
  3.5 转接板设计  37
  3.6 电源板设计  37-40
    3.6.1 电源板原理图设计  38-39
    3.6.2 电源板 PCB 设计  39-40
第4章系统软件设计与测试  40-52
  4.1 音频播放格式  40-42
  4.2 AD 采集测试  42-43
    4.2.1 AD 测试平台  42-43
    4.2.2 AD 测试结果  43
  4.3 FPGA 通信测试  43-45
    4.3.1 FPGA 测试平台  43-44
    4.3.2 FPGA 测试内容及结果  44-45
  4.4 电话测试  45-47
    4.4.1 振铃及摘机测试  46
    4.4.2 解码电路测试  46-47
  4.5 Linux 操作系统测试  47-52
    4.5.1 交叉编译  48
    4.5.2 Linux 系统安装  48-49
    4.5.3 Linux 系统测试  49-52
第5章现场调试及运行结果  52-55
  5.1 系统现场测试内容  52-54
    5.1.1 系统硬件总图  53-54
    5.1.2 系统现场测试流程  54
  5.2 现场测试运行结果  54-55
结论  55-56
致谢  56-57
参考文献  57-58
攻读学位期间取得学术成果  58

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