CN109378009A - 机载告警语音输出装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种机载告警语音输出装置，包含FPGA芯片、语音解码电路、运算放大电路，FPGA芯片用于通过I2C总线完成对语音芯片相关控制寄存器的初始化配置，使输出的直流分压与语音正常播放时直流电压分量相等，以及从语音文件中提取语音数据通过I2S总线传输到语音解码电路；语音解码电路包含语音芯片和外围电路，用于对语音数据进行解码、D/A转换后输出单端模拟信号给运算放大电路；运算放大电路对模拟信号经运算放大电路带通滤波、增益调节、功率放大输出后输出差分模拟信号。本发明消除了噪声及失真，确保语音清晰、高品质。

Description

机载告警语音输出装置
技术领域
本发明涉及航空电子产品语音告警系统技术领域，应用该技术可实现高品质机载告警语音输出；仅需一个告警语音输出装置可以满足机通或音频控制盒对多条语音幅值与负载的同一要求。
背景技术
在航空电子产品的语音告警系统技术领域，传统机载告警语音输出装置存在背景噪声大、语音播放瞬间或播放过程中出现尖锐噪声、语音失真等问题；为了满足不同语音输出幅度与负载的同一要求，传统机载告警语音输出设计针对每条语音设计一个告警语音输出电路。本技术专利即描述了实现高品质机载告警语音输出设计方法，告警语音清晰、无噪声、无失真，满足机载告警语音高品质的需求；一个告警语音输出电路设计实现对多条语音幅值与负载的同一要求，满足机载设备低功耗、
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种高品质的机载告警语音输出装置，一方面实现告警语音清晰、无噪声、无失真，达到输出高品质机载告警语音的目的；另一方面一个告警语音输出电路设计实现对多条语音幅值与负载的同一要求，大大节省空间与功耗，达到机载设备低功耗、小型化的目的。
本发明的发明目的通过以下技术方案实现：
一种机载告警语音输出装置，包含FPGA芯片、语音解码电路、运算放大电路，FPGA芯片用于通过I2C总线完成对语音芯片相关控制寄存器的初始化配置，使输出的直流分压与语音正常播放时直流电压分量相等，以及从语音文件中提取语音数据通过I2S总线传输到语音解码电路；
语音解码电路包含语音芯片和外围电路，用于对语音数据进行解码、D/A转换后输出单端模拟信号给运算放大电路；
运算放大电路对模拟信号进行带通滤波、增益调节、功率放大输出后输出差分模拟信号。
进一步，机载告警语音输出装置还包含处理器和FLASH，FLASH用于存储各个语音文件，处理器用于根据告警指令从FLASH中调取要求的语音文件，并将语音文件通过PCIe总线写入到FPGA的内存。
优选地，FPGA芯片上配置的程序包含有初始化模块、外部总线通讯模块、PCIe总线通讯模块、I2C总线模块、I2S总线模块、语音输出控制模块，初始化模块用于对语音芯片的相关寄存器进行初始化配置，使输出的直流分压与语音正常播放时直流电压分量相等；外部总线通讯模块用于实现外部指令的接收以及状态信号的反馈；PCIe总线通讯模块用于实现处理器与FPGA之间的通讯；I2C总线模块为语音数据传输控制模块提供I2C总线接口；I2S总线模块为语音数据传输控制模块提供I2S总线接口；语音输出控制模块用于从语音文件中提取语音数据，语音音量控制，采用语音数据插零的方法消除因语音文件录音质量问题导致的随机噪声，以及实现根据外部指令控制选择性告警语音的单次播放、循环播放、中断或停止。
优选地，运算放大电路包含差分放大电路和反相放大电路，差分放大电路用于带通滤波、信号放大以及增加驱动能力，输出模拟语音信号的正端，反相放大电路用于将模拟语音信号的正端反相至负端，以及增大驱动能力。
优选地，运算放大电路包含运放N1、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电容C5、电容C6、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20和电容C22，运放N1的第一输入正端与电阻R19、电阻R20、电容C17的一端相连，电阻R20的另一端与地AGND连接，电阻R19、电容C17的另一端与运放N1的第一输出端连接，运放N1的第一输入负端与电阻R17、电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与地AGND连接，电阻R17的另一端与电容C22的一端连接，电容C22的另一端与语音解码电路输出的单端模拟量语音信号连接，运放N1的第一输出端与电阻R21、电阻R24的一端连接，电阻R21的另一端与负载的正端连接，电阻R24的另一端与运放N1的第二输入负端、电阻R23、电容C18的一端连接，电阻R23、电容C18的另一端与运放N1的第二输出端连接，运放N1的第二输出端与电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端与负载的负端连接，运放N1的第二输入正端与电阻R22的一端连接，电阻R22的另一端与地AGND连接，电源+15VA与运放N1的VCC脚、电容C5、电容C19的一端连接，电容C5、电容C19的另一端与地AGND连接，电源-15VA与运放N1的VEE脚、电容C6、电容C20的一端连接，电容C5、电容C19的另一端与地AGND连接。
优选地，机载告警语音输出装置还包含“格式工厂”软件，用于对语音文件的处理，可以实现语音文件中的语音数据的放大或缩小，处理后的语音文件作为播放文件存储在FLASH中。
本发明的有益效果在于：
a)使用该机载告警语音输出装置输出的告警语音清晰、无噪声、无失真，满足机载告警语音高品质的需求，该机载告警语音输出装置可以实现对多条语音幅值与负载的同一要求，满足机载设备低功耗、小型化的需求，同时该告警语音输出电路可以灵活嵌入到不同设备而不影响该嵌入设备的正常功能，方便系统级功能划分与设计，市场前景广阔。
b)推广使用该设计方法，可以显著提高语音输出品质，应用到汽车、船舶等工业领域产生良好的经济效益。
附图说明
图1为机载告警语音输出装置的硬件结构示意图。
图2为语音解码电路的结构示意图。
图3为运算放大电路的结构示意图。
图4为FPGA芯片上的软件结构示意图。
图5为“格式工厂”软件处理语音文件示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本实施例所示一种机载告警语音输出装置，其硬件结构参见图1所示，主要包含FPGA芯片、语音解码电路、运算放大电路，FPGA芯片用于通过I2C总线完成对语音芯片相关控制寄存器的初始化配置，使输出的直流分压与语音正常播放时直流电压分量相等，以及从语音文件中提取语音数据通过I2S总线传输到语音解码电路；
语音解码电路包含语音芯片和外围电路，用于对语音数据进行解码、D/A转换后输出单端模拟信号给运算放大电路；
运算放大电路对模拟信号进行带通滤波、增益调节、功率放大输出后输出差分模拟信号。
机载告警语音输出装置还包含处理器和FLASH，FLASH用于存储各个语音文件。因I2S总线传输语音数据到语音芯片速率比较低，为避免影响处理器完成其他任务，处理器根据告警指令从FLASH中调取要求的语音文件，并将语音文件通过PCIe总线写入到FPGA的内存。采用处理器直接将语音数据写入到FPGA内存的方式，这种使用方式可以将告警语音输出灵活嵌入到不同设备而不影响该嵌入设备的正常功能(占用处理器时间少)，方便系统级功能划分与设计。
参见图4所示，FPGA芯片上配置的程序包含有初始化模块、外部总线通讯模块、PCIe总线通讯模块、I2C总线模块、I2S总线模块语音输出控制模块。
初始化模块用于对语音芯片的相关寄存器进行初始化配置，使输出的直流分压与语音正常播放时直流电压分量相等。在进行初始化配置前，先测量直流分量，然后给出语音数据的初始值，根据这个初始值可以输出的直流分压与语音正常播放时直流电压分量相等，防止因滤波电路充放电原因导致的语音开始播放时出现尖锐噪声(一般毫秒级，与滤波参数相关)。
外部总线通讯模块用于实现外部指令的接收以及状态信号的反馈；PCIe总线通讯模块用于实现处理器与FPGA之间的通讯；I2C总线模块为语音数据传输控制模块提供I2C总线接口；I2S总线模块为语音数据传输控制模块提供I2S总线接口。
语音输出控制模块用于从语音文件中提取语音数据，以及实现根据外部指令控制选择性告警语音的单次播放、循环播放、中断或停止，语音音量控制。语音文件格式，如WAV格式，00H～2BH地址为采样频率、通道数等参数，之后数据才是纯语音数据，如果把前面参数按语音播放出去就会有尖锐噪声，语音输出控制模块从2CH地址开始提取语音数据，可以防止因语音格式参数按语音数据误播放原因导致的语音开始播放时出现尖锐噪声(一般微秒级，与语音文件格式相关)。
参见图2所示，语音解码电路以语音编解码芯片TLV320AIC23为核心，该语音芯片的DAC采用多位的Σ-Δ技术，并且内部集成高采样率的数字内插滤波器，传输字长可以为13、20、24、32位，支持8KHz～96KHz采样率，信噪比可达100dB,具有小型化、低功耗、高保真语音的特点。
VOICE-CLK为FPGA给语音芯片提供的时钟信号；MODE接地语音芯片的控制口选择I2C配置方式，VOICE-SCLK、VOICE-SDIN分别为串行时钟、串行数据；通过寄存器配置语音数据传输模式采用I2S模式，VOICE-LRCIN、VOICE-DIN、
VOICE-BCLK分别为数模转换帧时钟、语音数字信号输入、语音数字信号位时钟。LHPOUT为耳机左声道输出，为单端模拟信号，0dB输出电压1Vrms，-73dB～6dB可调。
参见图1所示运算放大电路包含差分放大电路和反相放大电路，差分放大电路用于为带通滤波、信号放大以及增加驱动能力，输出模拟语音信号的正端，反相放大电路用于将模拟语音信号的正端反相至负端，以及增大驱动能力。
参见图3所示，运算放大电路具体包含运放N1、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电容C5、电容C6、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20和电容C22。在本实施例中运放选用MC3317进行说明，MC3317具有600Ω负载驱动能力，根据不同的负载要求可以选择相应运放。运放N1的第一输入正端(2脚)与电阻R19、电阻R20、电容C17的一端相连，电阻R20的另一端与地AGND连接，电阻R19、电容C17的另一端与运放N1的第一输出端连接，运放N1的第一输入负端(3脚)与电阻R17、电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与地AGND连接，电阻R17的另一端与电容C22的一端连接，电容C22的另一端与语音解码电路输出的单端模拟量语音信号(LHPOUT)连接，运放N1的第一输出端(1脚)与电阻R21、电阻R24的一端连接，电阻R21的另一端与负载的正端(VOICE-OUT+)连接，电阻R24的另一端与运放N1的第二输入负端(6脚)、电阻R23、电容C18的一端连接，电阻R23、电容C18的另一端与运放N1的第二输出端(7脚)连接，运放N1的第二输出端(7脚)与电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端与负载的负端(VOICE-OUT-)连接，运放N1的第二输入正端(5脚)与电阻R22的一端连接，电阻R22的另一端与地AGND连接，电源+15VA与运放N1的VCC脚(8脚)、电容C5、电容C19的一端连接，电容C5、电容C19的另一端与地AGND连接，电源-15VA与运放N1的VEE脚(4脚)、电容C6、电容C20的一端连接，电容C5、电容C19的另一端与地AGND连接。
运放N1-A，电阻R17～R20，电容C17、C22构成差分放大电路及带通滤波器，R17、R20阻值相同，R18、R19阻值相同，增益为R19/R20，改变阻值调节增益，改变阻值或容值可调整带通滤波器的截止频率。运放N1-B，电阻R22～R24，电容C18构成反向放大电路及低通滤波器，R23、R24阻值相同，增益为-1，改变阻值或容值可调整低通滤波器的截止频率。VOICE-OUT+、VOICE-OUT-为语音差分模拟信号。根据语音输出幅值要求与语音文件调节运放增益进行适配，合理选择阻容值设置滤波参数。
除了运放增益调节以及语音芯片音量调节可调节语音模拟信号幅值外，还可以通过“格式工厂”软件配置“音量控制”，参见图5所示，如修改数值为300％生成放大后的语音文件存入FLASH。先在运放放大电路进行调节使语音幅值接近负载要求值，然后采用“格式工厂”或语音解码芯片进行微调。
本实施例所述的机载告警语音输出装置实现了二个目的，目的一，实现告警语音清晰、无噪声、无失真，达到输出高品质机载告警语音。目的二、实现对多条语音幅值与负载的同一要求。
其中，目的一是采用了以下技术手段实现：
a)在运算放大电路中，采用带通滤波器设计滤除非声音频段干扰，采用单端转差分电路设计提高语音信号的抗干扰能力；
b)在FPGA芯片中，初始化模块使运放输出电压与语音播放时输出电压直流分量一致，防止因滤波电路充放电原因导致的语音开始播放时出现尖锐噪声(一般毫秒级，与滤波参数相关)；
c)在FPGA芯片中，语音输出控制模块采用在语音文件往语音解码电路传输时要根据语音文件格式提取纯语音数据(舍去语音文件相关参数数据)，防止因语音格式参数按语音数据误播放原因导致的语音开始播放时出现尖锐噪声(一般微秒级，与语音文件格式相关)。
d)在FPGA芯片中，语音输出控制模块采用语音数据插零的方法消除因语音文件录音质量问题导致的随机噪声(录音质量严重需要重新录音)。
目的二是采用了以下技术手段实现：
a)根据负载要求选取合适的功运；
b)根据负载要求进行幅值调节，幅值调节的实现方式包括运算放大电路中的增益调节、语音解码芯片音量调节及运用“格式工厂”软件对语音数据进行“音量控制”处理。先对运算放大电路中的电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R23、电阻R24的阻值进行调节，使语音幅值接近要求值，然后采用“格式工厂”或语音解码芯片进行微调。
“格式工厂”软件对语音文件进行处理时“音量控制”最好小于5倍(如果放大倍数过大会导致截止失真)，语音解码芯片音量调节一般不超过4倍。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种机载告警语音输出装置，包含FPGA芯片、语音解码电路、运算放大电路，其特征在于所述FPGA芯片用于通过I2C总线完成对语音芯片相关控制寄存器的初始化配置，使输出的直流分压与语音正常播放时直流电压分量相等，以及从语音文件中提取语音数据通过I2S总线传输到语音解码电路；
所述语音解码电路包含语音芯片和外围电路，用于对语音数据进行解码、D/A转换后输出单端模拟信号给运算放大电路；
运算放大电路对模拟信号进行带通滤波、增益调节、功率放大输出后输出差分模拟信号。
2.根据权利要求1所述的一种机载告警语音输出装置，其特征在于还包含处理器和FLASH，FLASH用于存储各个语音文件，处理器用于根据告警指令从FLASH中调取要求的语音文件，并将语音文件通过PCIe总线写入到FPGA的内存。
3.根据权利要求1所述的一种机载告警语音输出装置，其特征在于所述FPGA芯片上配置的程序包含初始化模块、外部总线通讯模块、PCIe总线通讯模块、I2C总线模块、I2S总线模块、语音输出控制模块，初始化模块用于对语音芯片的相关寄存器进行初始化配置，使输出的直流分压与语音正常播放时直流电压分量相等；外部总线通讯模块用于实现外部指令的接收以及状态信号的反馈；PCIe总线通讯模块用于实现处理器与FPGA之间的通讯；I2C总线模块为语音输出控制模块提供I2C总线接口；I2S总线模块为语音输出控制模块提供I2S总线接口；语音输出控制模块用于从语音文件中提取语音数据，语音音量控制，采用语音数据插零的方法消除因语音文件录音质量问题导致的随机噪声，以及实现根据外部指令控制选择性告警语音的单次播放、循环播放、中断或停止。
4.根据权利要求1所述一种机载告警语音输出装置，其特征在于运算放大电路包含差分放大电路和反相放大电路，所述差分放大电路用于带通滤波、信号放大以及增加驱动能力，输出模拟语音信号的正端，反相放大电路用于将模拟语音信号的正端反相至负端，以及增大驱动能力。
5.根据权利要求1或4所述一种机载告警语音输出装置，其特征在于运算放大电路包含运放N1、电阻R17、电阻R18、电阻R19、电阻R20、电阻R21、电阻R22、电阻R23、电阻R24、电阻R25、电容C5、电容C6、电容C17、电容C18、电容C19、电容C20和电容C22，运放N1的第一输入正端与电阻R19、电阻R20、电容C17的一端相连，电阻R20的另一端与地AGND连接，电阻R19、电容C17的另一端与运放N1的第一输出端连接，运放N1的第一输入负端与电阻R17、电阻R18的一端连接，电阻R18的另一端与地AGND连接，电阻R17的另一端与电容C22的一端连接，电容C22的另一端与语音解码电路输出的单端模拟量语音信号连接，运放N1的第一输出端与电阻R21、电阻R24的一端连接，电阻R21的另一端与负载的正端连接，电阻R24的另一端与运放N1的第二输入负端、电阻R23、电容C18的一端连接，电阻R23、电容C18的另一端与运放N1的第二输出端连接，运放N1的第二输出端与电阻R25的一端连接，电阻R25的另一端与负载的负端连接，运放N1的第二输入正端与电阻R22的一端连接，电阻R22的另一端与地AGND连接，电源+15VA与运放N1的VCC脚、电容C5、电容C19的一端连接，电容C5、电容C19的另一端与地AGND连接，电源-15VA与运放N1的VEE脚、电容C6、电容C20的一端连接，电容C5、电容C19的另一端与地AGND连接。
6.根据权利要求1所述的一种机载告警语音输出装置，其特征在于还包含“格式工厂”软件，用于对语音文件的处理，实现对语音文件中的语音数据的放大或缩小，处理后的语音文件作为播放文件存储在FLASH中。
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