專利名稱：航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡及多通道音頻遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡及多通道音頻遠(yuǎn)程采集系 統(tǒng)，屬于船舶工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
船載航行數(shù)據(jù)記錄儀(Voyage Data Recorder,簡(jiǎn)稱VDR)是專門(mén)用于采集 和存儲(chǔ)船舶航行過(guò)程中重要信息的智能化記錄設(shè)備，集釆集、存儲(chǔ)、監(jiān)控等功 能于一體。當(dāng)艦船發(fā)生事故時(shí)，可通過(guò)回放所記錄的有關(guān)數(shù)據(jù)分析與査找事故 的原因。隨著我國(guó)航海事業(yè)的不斷發(fā)展，隨著國(guó)際海事組織對(duì)VDR安裝的強(qiáng)制 要求，VDR必將會(huì)有一個(gè)廣大的市場(chǎng)，對(duì)VDR的研究也具有重要的意義。
根據(jù)《IEC61996-2000海上導(dǎo)航和無(wú)線電通信設(shè)備和系統(tǒng)，船載航行數(shù)據(jù)記 錄儀的性能要求、試驗(yàn)方法和要求的檢驗(yàn)結(jié)果》中的有關(guān)規(guī)定，船載航行數(shù)據(jù) 記錄儀應(yīng)能順序記錄有關(guān)船舶設(shè)備的狀態(tài)和輸出信號(hào)、船舶的指揮命令和操作 控制等數(shù)據(jù)項(xiàng)目，包括日期和時(shí)間、船位船速、駕駛室聲音、通信聲音、雷 達(dá)數(shù)據(jù)、回聲測(cè)深儀、操舵命令和響應(yīng)以及風(fēng)速風(fēng)向等。并且要求對(duì)上述各項(xiàng) 數(shù)據(jù)的連續(xù)存儲(chǔ)能力至少在12個(gè)小時(shí)以上。其中駕駛室聲音和通信聲音是黑匣 子需記錄的主要數(shù)據(jù)之一，記錄的聲音內(nèi)容主要包括當(dāng)時(shí)艙室中操作人員的語(yǔ) 音信息，出現(xiàn)的報(bào)警聲音和甚高頻通信電話的聲音信息。在日常的船舶航行監(jiān) 控或船舶發(fā)生事故后，可通過(guò)回放記錄的相關(guān)音頻數(shù)據(jù)以復(fù)現(xiàn)船舶出現(xiàn)事故時(shí) 關(guān)鍵區(qū)域的聲音狀況，對(duì)事故原因的分析與對(duì)日常的船舶航行評(píng)估都有重要的
作為VDR所需記錄的數(shù)據(jù)中的重要一項(xiàng)，音頻采集技術(shù)在近數(shù)十年中也取 得了巨大的進(jìn)步。數(shù)字技術(shù)是隨著現(xiàn)代電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起 來(lái)的，其在音頻記錄領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。它與模擬記錄技術(shù)相比有巨大 的優(yōu)勢(shì)。數(shù)字化的音頻信號(hào)進(jìn)行傳輸和存儲(chǔ)時(shí)，在可靠性、抗干擾能力、快速 變換、安全性等方面遠(yuǎn)勝于模擬的音頻信號(hào)，并且數(shù)字系統(tǒng)靈活方便，價(jià)格低 廉。現(xiàn)在的基于非壓縮技術(shù)的數(shù)字音頻采集系統(tǒng)多是基于PC機(jī)與聲卡組合的記錄系統(tǒng)，具有高音質(zhì)、易實(shí)現(xiàn)多聲道音頻采集與回放的優(yōu)點(diǎn)，也屬于無(wú)損記錄
的范疇。但由于未進(jìn)行數(shù)據(jù)壓縮，通常會(huì)有較大的數(shù)據(jù)量，如現(xiàn)在CD中存儲(chǔ) 的聲音數(shù)據(jù)便是未經(jīng)壓縮的數(shù)據(jù)。通常幾百兆的空間只能存儲(chǔ)一個(gè)小時(shí)左右的
卞/f數(shù)據(jù)。
在VDR的系統(tǒng)中，由于主機(jī)或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)體中的電子盤(pán)容量有限(一般 為2 8GB)，且需存儲(chǔ)12個(gè)小時(shí)以上的數(shù)據(jù)，如果采用此種方法，則會(huì)有很大 的數(shù)據(jù)量需要傳輸和存儲(chǔ)，給整個(gè)系統(tǒng)帶來(lái)極大的壓力，現(xiàn)有的音頻采集系難 以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集和傳輸，不適合應(yīng)用在VDR系統(tǒng)中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)在的基于非壓縮技術(shù)的數(shù)字音頻采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)難以 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集及傳輸，不適合應(yīng)用在VDR系統(tǒng)中的問(wèn)題，提供了一種航行數(shù)據(jù) 記錄儀的音頻采集卡及多通道音頻遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)。
本發(fā)明的音頻采集卡包括立體聲音頻編解碼器、DSP、 CPLD選擇電路和外 部存儲(chǔ)器，立體聲音頻編解碼器用于采集混音板音頻輸出信號(hào)和VHF通信音頻 信號(hào)，立體聲音頻編解碼器的I2C串行接口與DSP的I2C串行接口相連，DSP 的數(shù)據(jù)輸入輸出端與CPLD選擇電路的控制選擇輸入輸出端相連，CPLD選擇 電路的存儲(chǔ)輸入輸出端與外部存儲(chǔ)器的輸入輸出端相連。
使用所述音頻采集卡的多通道音頻遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)包括多個(gè)音頻采集卡、 VDR主機(jī)和以太網(wǎng)，每個(gè)音頻采集卡的以太網(wǎng)接口電路的第二輸入輸出端通過(guò) 以太網(wǎng)與VDR主機(jī)相連。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明所述音頻采集卡壓縮后的音頻品質(zhì)高，并輕松實(shí)現(xiàn)
音頻的遠(yuǎn)程采集及傳輸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。


圖1是音頻采集卡的結(jié)構(gòu)示意圖及其與VDR主機(jī)的連接圖，圖2是多通道 音頻遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是CPLD選擇電路在系統(tǒng)中與其他部件 的連接框圖，圖4是DSP與音頻A/D和D/A模塊的連接框圖。
具體實(shí)施例方式
具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1、圖3和圖4說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式 所述航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡包括立體聲音頻編解碼器1、 DSP2、 CPLD選擇電路3和外部存儲(chǔ)器4，立體聲音頻編解碼器1用于采集混音板音頻輸出信號(hào)和VHF通信音頻信號(hào)，立體聲音頻編解碼器1的I2C串行接口與DSP2的I2C串行接口相連，DSP2的數(shù)據(jù)輸入輸出端與CPLD選擇電路3的控制選擇輸入輸出端相連，CPLD選擇電路3的存儲(chǔ)輸入輸出端與外部存儲(chǔ)器4的輸入輸出端相連。
立體聲音頻編解碼器1采用TI公司的TLV320AIC23音頻CODEC芯片。根據(jù)IEC61996的有關(guān)規(guī)定，航行數(shù)據(jù)記錄儀需要記錄的音頻信號(hào)頻帶為艙室聲音，即混音板音頻輸出的聲音信號(hào)為150Hz 6000Hz， VHF通信音頻信號(hào)為150Hz 3500Hz。根據(jù)Nyquist采樣定理，采樣頻率乂必須大于或等于采樣對(duì)象頻率/￡的2倍
由上式可得采樣混音板音頻輸出信號(hào)乂,和VHF通信音頻信號(hào)乂2兩個(gè)頻段的采樣頻率范圍分別為/sl 22x3400 = 6800Hz2x6000 = 12000 Hz
所以，為實(shí)現(xiàn)較高的音質(zhì)，音頻量化的采樣率應(yīng)高于12kHz，立體聲音頻編解碼器1的采樣位數(shù)應(yīng)在16位以上。
在包含模擬信號(hào)的采集系統(tǒng)中，A/D與D/A的選取往往特別重要，選擇滿足系統(tǒng)性能的器件是系統(tǒng)成功的關(guān)鍵。在本設(shè)計(jì)中音頻CODEC所實(shí)現(xiàn)的功能為對(duì)模擬的音頻信號(hào)進(jìn)行量化，以及將數(shù)字化的音頻信號(hào)重建為模擬信號(hào)。TLV320AIC23是一款高性能音頻CODEC芯片，所述TLV320AIC23以下簡(jiǎn)稱AIC23，內(nèi)置耳機(jī)輸出放大器，支持MICIN和LINEIN兩種輸入方式，且輸入和輸出都具有可編程增益調(diào)節(jié)；AIC23芯片中集成的A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器均采用多位Sigma-Delta技術(shù)，數(shù)據(jù)采樣的字長(zhǎng)為16、 20、 24、 32bit可選，采樣與重建的頻率為8kHz 96kHz可配置;在采樣率為96kHz的情況下A/D轉(zhuǎn)換器信噪比達(dá)到90dB， D/A轉(zhuǎn)換器達(dá)到100dB; AIC23的數(shù)字接口分為配置接口和數(shù)據(jù)交換接口兩部分；配置接口有fC和SPI兩種形式，主要作用為對(duì)AIC23進(jìn)行配置；數(shù)據(jù)輸出接口有I2S和DSP兩種模式，可與DSP中的McBSP接口無(wú)縫對(duì)接。通過(guò)以太網(wǎng)可以傳輸相應(yīng)的指令給DSP2，來(lái)配置AIC23的采樣位數(shù)和采樣率，根據(jù)具體情況的要求實(shí)現(xiàn)不同的音質(zhì)。AIC23與DSP2的連接如圖4所示。
立體聲音頻編解碼器1采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳遞給DSP2。DSP2采用TI公司的TMS320VC5509芯片。
通常DSP芯片的選擇主要考慮以下因素器件主頻、數(shù)據(jù)運(yùn)算能力、適合于系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的外設(shè)、功耗、成本等方面。在本系統(tǒng)中DSP實(shí)現(xiàn)的功能為與音頻CODEC的AIC23芯片接口，實(shí)現(xiàn)音頻數(shù)字信號(hào)的量化；對(duì)量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波、壓縮等方面的處理，并存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器4中；控制網(wǎng)絡(luò)接口等部件實(shí)現(xiàn)與VDR主機(jī)的數(shù)據(jù)交換。本實(shí)施方式中選用TI公司新近推出的專門(mén)用于音頻領(lǐng)域的功能較強(qiáng)的定點(diǎn)DSP芯片TMS320VC5509。
TMS320VC5509(以下簡(jiǎn)稱VC5509)是VC55x系列中的一員，不但運(yùn)算能力強(qiáng)、外設(shè)接口豐富，而且功耗小、成本低。VC5509是TMS320C541的升級(jí)版，是21世紀(jì)初TI公司的技術(shù)創(chuàng)新產(chǎn)品，其顯著特點(diǎn)是每兆指令功耗極低，為0.25mw/MIP。由于VC55x是在TMS320VC54x系列的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其源代碼也與C54x的兼容。但VC55x內(nèi)部的雙乘法器、雙ALU單元和多總線的結(jié)構(gòu)使得其可在單時(shí)鐘周期內(nèi)運(yùn)行兩條并行指令，達(dá)到了 VC54x的2倍的周期效率(可達(dá)400MPS)，并且功耗只有VC54x的1/6。
外部存儲(chǔ)器4采用SRAM。
CPLD選擇電路3采用ALTERA公司的EPM7128芯片。由于在本系統(tǒng)需要擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器4、網(wǎng)絡(luò)接口芯片等部件，所以需要設(shè)計(jì)邏輯產(chǎn)生電路。EPM7128為ALTERA公司的MAX7000系列的產(chǎn)品，具有高阻抗、電可擦除等特點(diǎn)，可用門(mén)數(shù)為2500個(gè)，128個(gè)宏單元，8個(gè)LAB (Logic ArrayBlock)陣列快之間最大延遲為5ns，工作電壓兼容5V、 3.3V。其在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的功能框圖如圖3所示。
圖中EPM7128內(nèi)部擴(kuò)展了 FAR寄存器產(chǎn)生外部存儲(chǔ)器4的高位分頁(yè)地址，PA14 PA18共5位地址線。FAR寄存器的地址擴(kuò)展在DSP2的CEO空間內(nèi)，地址為0x40000，為8位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。FAR寄存器的D4 D0位分別對(duì)應(yīng)外部存儲(chǔ)器4的頁(yè)選通線的PA18 PA14。所以在對(duì)外部存儲(chǔ)器4進(jìn)行存取操作時(shí)應(yīng)首先向FAR寄存器賦值選擇32頁(yè)中的一頁(yè)。工作原理
立體聲音頻編解碼器1采集的模擬信號(hào)(混音板音頻輸出信號(hào)和VHF通信音頻信號(hào))轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后傳遞給DSP2，在DSP2中完成對(duì)音頻的量化、濾波和壓縮，并存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器4中。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，它還包括非易失性存儲(chǔ)器5， DSP2的第三輸入輸出端與非易失性存儲(chǔ)器5的輸入輸出端相連，其它組成和連接關(guān)系與實(shí)施方式一相同。
非易失性存儲(chǔ)器5采用AT25F1024串行FLASH存儲(chǔ)器。
Flash (閃速存儲(chǔ)器)是近些年發(fā)展起來(lái)的新型非易失性存儲(chǔ)器，它具有掉電數(shù)據(jù)不丟失、快速的數(shù)據(jù)存取速度、電可擦除、容量大、在線可編程、價(jià)格低廉以及足夠多的擦寫(xiě)次數(shù)(十萬(wàn)次)和較高的可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與實(shí)施方式一的不同之處在于，它還包括以太網(wǎng)接口電路6， CPLD選擇電路3的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交互輸入輸出端與以太網(wǎng)接口電路6的第一輸入輸出端相連，其它組成和連接關(guān)系與實(shí)施方式一相同。
具體實(shí)施方式
四下面結(jié)合圖2、圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述多通道音頻遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)是使用實(shí)施方式一所述的音頻采集卡，本實(shí)施系統(tǒng)包括多個(gè)音頻采集卡7、 VDR主機(jī)8和以太網(wǎng)，每個(gè)音頻采集卡7的以太網(wǎng)接口電路6的第二輸入輸出端通過(guò)以太網(wǎng)與VDR主才幾8相連。參見(jiàn)圖2所示。
以太網(wǎng)接口電路6采用WIZnet公司的W5100固件網(wǎng)絡(luò)芯片。
參見(jiàn)圖3所示，W5100的數(shù)據(jù)接口采用了并行總線的方式，所以也有A0 A14共15條地址線，所以其高兩位地址線的信號(hào)也需要由CPLD產(chǎn)生，為WA15、 WA14。另外，W5100的復(fù)位信號(hào)、選通信號(hào)等利用CPLD產(chǎn)生也有利于地址的更改和操作的方便。
多個(gè)音頻采集卡7設(shè)置在不同的位置，分別采集相應(yīng)的模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)壓縮存在各自的外部存儲(chǔ)器4中，接到VDR主機(jī)8的命令后，通過(guò)以太網(wǎng)遠(yuǎn)程傳送給VDR主機(jī)8。
權(quán)利要求
1、航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡，其特征在于，它包括立體聲音頻編解碼器(1)、DSP(2)、CPLD選擇電路(3)和外部存儲(chǔ)器(4)，立體聲音頻編解碼器(1)用于采集混音板音頻輸出信號(hào)和VHF通信音頻信號(hào)，立體聲音頻編解碼器(1)的I2C串行接口與DSP(2)的I2C串行接口相連，DSP(2)的數(shù)據(jù)輸入輸出端與CPLD選擇電路(3)的控制選擇輸入輸出端相連，CPLD選擇電路(3)的存儲(chǔ)輸入輸出端與外部存儲(chǔ)器(4)的輸入輸出端相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡，其特征在于，它 還包括非易失性存儲(chǔ)器(5)， DSP (2)的數(shù)據(jù)暫存輸入輸出端與非易失性存儲(chǔ) 器(5)的輸入輸出端相連。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡，其特征在于， 它還包括以太網(wǎng)接口電路(6)， CPLD選擇電路(3)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交互輸入輸出 端與以太網(wǎng)接口電路(6)的第一輸入輸出端相連。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡，其特征在于，非 易失性存儲(chǔ)器(5)采用AT25F1024串行FLASH存儲(chǔ)器。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的多通道音頻遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)，其特征在于，以太網(wǎng) 接口電路(6)采用WIZnet公司的W5100固件網(wǎng)絡(luò)芯片。
6、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡，其特征在于，立 體聲音頻編解碼器(1)采用TI公司的TLV320AIC23音頻CODEC芯片。
7、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡，其特征在于，DSP (2)采用TI公司的TMS320VC5509芯片。
8、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡，其特征在于， CPLD選擇電路(3)采用ALTERA公司的EPM7128芯片。
9、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡，其特征在于，外 部存儲(chǔ)器(4)采用SRAM。
10、 使用權(quán)利要求3所述的航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡的多通道音頻遠(yuǎn) 程采集系統(tǒng)，其特征在于，它包括多個(gè)音頻采集卡(7)、 VDR主機(jī)(8)和以 太網(wǎng)，每個(gè)音頻采集卡(7)的以太網(wǎng)接口電路(6)的第二輸入輸出端通過(guò)以 太網(wǎng)與VDR主機(jī)(8)相連。
全文摘要
航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡及多通道音頻遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)，屬于船舶工程領(lǐng)域，本發(fā)明是為了解決現(xiàn)在的基于非壓縮技術(shù)的數(shù)字音頻采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程采集及傳輸，不適合應(yīng)用在VDR系統(tǒng)中的問(wèn)題。本發(fā)明所述音頻采集卡的立體聲音頻編解碼器用于采集混音板音頻輸出信號(hào)和VHF通信音頻信號(hào)，立體聲音頻編解碼器的I²C串行接口與DSP的I²C串行接口相連，通過(guò)CPLD選擇電路來(lái)控制DSP是與外部存儲(chǔ)器通訊還是通過(guò)以太網(wǎng)接口電路與VDR主機(jī)通訊。使用所述音頻采集卡的多通道音頻遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)包括多個(gè)音頻采集卡、VDR主機(jī)和以太網(wǎng)，每個(gè)音頻采集卡的以太網(wǎng)接口電路的第二輸入輸出端通過(guò)以太網(wǎng)與VDR主機(jī)相連。
文檔編號(hào)G07C5/00GK101650843SQ20091007280
公開(kāi)日2010年2月17日 申請(qǐng)日期2009年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月7日
發(fā)明者孫曉梅, 王臣業(yè), 志 鄭 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)科技園發(fā)展有限公司