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：
本實(shí)用新型涉及一種航行數(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，集采集、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)分析與查找事故的原因。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)估都有重要的意義。 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?，F(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。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是解決現(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)。[0007] 本實(shí)用新型的航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡包括立體聲音頻編解碼器、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。 所述航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡還可以進(jìn)一步包括非易失性存儲(chǔ)器，DSP的數(shù) 據(jù)暫存輸入輸出端與非易失性存儲(chǔ)器的輸入輸出端相連。 所述航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡還可以進(jìn)一步包括以太網(wǎng)接口電路，CPLD選擇
電路的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程交互輸入輸出端與以太網(wǎng)接口電路的第一輸入輸出端相連。 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。
其中 非易失性存儲(chǔ)器采用AT25F1024串行FLASH存儲(chǔ)器。 以太網(wǎng)接口電路采用WIZnet公司的W5100固件網(wǎng)絡(luò)芯片。立體聲音頻編解碼器采用TI公司的TLV320AIC23音頻CODEC芯片。DSP采用TI公司的TMS320VC5509芯片。CPLD選擇電路采用ALTERA公司的EPM7128芯片。 外部存儲(chǔ)器采用SRAM。 本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型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。[0024] 由上式可得采樣混音板音頻輸出信號(hào)fsl和VHF通信音頻信號(hào)fs2兩個(gè)頻段的采樣
頻率范圍分別為 fsl > 2 X 3400 = 6800Hz fs2 > 2X6000 = 12000Hz 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lOOdB ;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I2C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 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)400MIPS)，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
5位數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。FAR寄存器的D4 DO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 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主機(jī)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所述的航行數(shù)據(jù)記錄儀的音頻采集卡，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。
專利摘要航行數(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，本實(shí)用新型是為了解決現(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。本實(shí)用新型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)G11B20/00GK201522732SQ200920100789
公開日2010年7月7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)明者劉富強(qiáng), 李玉兵, 邱爾衛(wèi) 申請(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)科技園發(fā)展有限公司