[发明专利]一种基于ARM+FPGA架构的列车语音放大单元

摘要

本发明公开了一种基于ARM+FPGA架构的列车语音放大单元，属于嵌入式系统领域。该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。主控制模块包括主控芯片及外围器件，负责系统的初始化、音频存储与处理，以及运行应用程序和AGC、限幅限频算法。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，负责对各种格式的音频信号进行处理与放大，同时实现电流检测以及音频降级功能。通信模块包括两路千兆以太网和RS485及RS232总线，负责音频与噪检信号传输。各功能模块协调工作，构成了完整的语音放大单元。本发明可在动车、城市地铁、轻轨等交通领域中应用。

主权项

1.一种基于ARM+FPGA架构的列车语音放大单元，包括三个模块：主控制模块、编解码放大模块和通信模块，其特征在于：主控制模块由主控芯片及其外围器件组成，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ARM Cortex‑A9内核、FPGA、动态内存控制接口、静态内存控制接口、SDIO接口、千兆MAC接口和UART接口，其中双ARM Cortex‑A9内核和FPGA通过AXI高速总线相连，双ARM Cortex‑A9内核负责音频信号的处理，FPGA负责音频信号的转发、AGC算法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芯片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；主控芯片的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；无损和有损两路编解码芯片实现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左右声道低频通路和左右声道高频通路，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检测数字功放输出通路的电流，根据电流的变化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，即当通信网络故障时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硬件自动增益控制功能，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，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，切换至面板千兆以太网，保证广播系统的稳定性；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，实现以太网物理层芯片与外界的隔离；车厢内左右两侧安放噪音收集单元，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。