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MPEG算法在列車運行監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

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作者：倫志新 劉建偉等 時間：2007-02-05 來源：電子技術(shù)應(yīng)用 收藏
列車運行監(jiān)控記錄裝置已在鐵路的安全運輸過程中發(fā)揮了巨大的作用，其不足之處是沒有音頻、語音記錄功能。為了解決這個問題，按照鐵道部的技術(shù)要求，研究開發(fā)了一種新型列車音頻、語音記錄設(shè)備。該設(shè)備主要用于協(xié)同監(jiān)控裝置分析行車事故，運用相關(guān)技術(shù)記錄設(shè)備運行的狀態(tài)信息，以及對乘務(wù)員機車聯(lián)控進行錄音，為機務(wù)部門和運輸部門的科學(xué)管理提供新的技術(shù)手段。鑒于常見設(shè)備的技術(shù)指標及技術(shù)標準，對于音頻的數(shù)字化，以44．1kHz的采樣頻率、16bit的量化精度進行采樣，在編碼方面，采用MPEGI-LayerⅡ壓縮編碼方式；對于語音的數(shù)字化，以16kHz的采樣頻率、16bit量化精度進行采樣，在編碼方面，采用MPEG-2壓縮編碼方式。

1 硬件系統(tǒng)組成

該監(jiān)控記錄設(shè)備總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，整個系統(tǒng)由A／D轉(zhuǎn)換芯片、數(shù)字信號處理器DSP、CPLD控制器、Flash大容量存儲器及LCD顯示屏等組成。

監(jiān)控記錄設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

在本系統(tǒng)中A／D轉(zhuǎn)換芯片用來完成信號的轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)格式在16、18、20bit之間可選；數(shù)字信號處理器(DSP)為系統(tǒng)的核心數(shù)字處理器，功能強大，完成數(shù)字信號的壓縮編碼；CPLD用于數(shù)據(jù)傳送的控制以及對A／D轉(zhuǎn)換器、Flash存儲器和LCD顯示屏等器件的初始化檢測設(shè)置；Flash大容量存儲器用來進行數(shù)據(jù)的存儲；LCD顯示屏用來顯示當前系統(tǒng)所處的狀態(tài)，如運行等待、數(shù)據(jù)處理等。系統(tǒng)上電后，若有音頻／語音信號輸入A／D轉(zhuǎn)換器，通過中斷、查詢判斷輸入的信號類別，之后進行音頻／語音信號的模擬／數(shù)字格式轉(zhuǎn)換，得到的一串數(shù)字信號送入DSP進行數(shù)據(jù)壓縮編碼后，經(jīng)由CPLD存儲到Flash大容量存儲器中。整個系統(tǒng)以流水線的方式工作，數(shù)據(jù)的采集、壓縮編碼、存儲同時進行。

1．1 音頻／語音處理器UDA1341TS

UDA1341TS是由Philips公司生產(chǎn)的一款單片立體聲A／D、D／A轉(zhuǎn)換器，低功耗，工作電壓3．0V，信噪比為97dB，具有雙通道輸入功能，采樣頻率在16kHz、32kHz和44．1kHz之間可選。

UDAl341TS與DSP構(gòu)成音頻／語音信號采集系統(tǒng)，主要涉及到位采樣時鐘(BCK)、字同步時鐘(WS)、采樣數(shù)據(jù)輸出(DATA0)、系統(tǒng)時鐘輸入(SYSCLK)這幾個對時序有要求的引腳。系統(tǒng)中，DATA0作為輸出引腳，與DSP的BDR0引腳相連；BCK、WS、SYSCLK作為輸入引腳，其時序由DSP供給。UDA1341TS的系統(tǒng)時鐘只能是256Fs、384Fs、512Fs，通過對狀態(tài)寄存器的SC0位和SC1位編程可實現(xiàn)系統(tǒng)時鐘的選擇設(shè)置。這里Fs是音頻／語音信號的采樣頻率。在數(shù)據(jù)采樣時，WS用來指明UDA1341TS的DATAO輸出的有效數(shù)據(jù)。當系統(tǒng)對VINL(左聲道)端口進行采樣時，WS的上升沿表明一幀數(shù)據(jù)的起始，下降沿表明一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束；當系統(tǒng)對VINR(右聲道)端口進行采樣時，WS的下降沿表明一幀數(shù)據(jù)的起始，上升沿表明一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。

UDA1341TS提供了一個L3端口，利用CPLD控制器對L3的L3DATA、L3MODE、L3CLOCK三個引腳進行編程，可以設(shè)置其內(nèi)部的寄存器。當L3MODE引腳為低電平時，通過L3DATA引腳輸入寄存器地址信息；當L3MODE引腳為高電平時，通過L3DATA引腳輸入有關(guān)寄存器設(shè)置的數(shù)據(jù)信息(如設(shè)置芯片系統(tǒng)時鐘頻率、數(shù)據(jù)輸入格式、芯片工作模式等)。UDA1341TS與DSP的McBSP(多通道緩沖同步串口)相連，各種同步信號由DSP產(chǎn)生，這樣就保證了新數(shù)據(jù)的正常接收以及已接收數(shù)據(jù)的正常處理。UDA1341TS與DSP的硬件連接圖如圖2所示。

UDA1341TS與DSP的硬件連接圖

1．2 音頻／語音編碼器TMS320VC5402

數(shù)字音頻／語音信號的壓縮需要大量的數(shù)字信號處理，一般單片機是無法完成的，所以本系統(tǒng)中選用TI公司的DSP芯片TMS320VC5402(以下簡稱‘C5402)對音頻／語音信號進行壓縮處理。‘C5402是TI公司于1999年10月推出的54X系列定點DSP，操作速率達100MIPS，具有增強的多總線結(jié)構(gòu)，三條獨立的16位數(shù)據(jù)存儲器總線和一條程序存儲器總線；40位的算術(shù)邏輯單元，包括兩個獨立的40位累加器、17位



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