帶有時標(biāo)的嵌入式語音信號錄取系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．3 數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲，本采集系統(tǒng)選用當(dāng)下比較流行SD卡作為存儲介質(zhì)。由于SD卡采用的是串行讀寫方式，時序較為復(fù)雜，且其數(shù)據(jù)量較大，故采用Verilog編寫了SD控制器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。Avalon Interface FSM與Avalon總線相連接，用來完成控制器與NiosⅡ處理器通信；SD Card Interface與SD卡相連，完成數(shù)據(jù)的串／并轉(zhuǎn)換和時序控制。

3 軟件程序設(shè)計(jì)
本采集系統(tǒng)軟件在Nios EDS環(huán)境下進(jìn)行開發(fā)，由于程序中只有一個線程，結(jié)構(gòu)比較簡單，故并未采用操作系統(tǒng)。主程序在完成各個模塊初始化后進(jìn)入等待狀態(tài)，GPS的串口數(shù)據(jù)、PPS觸發(fā)信號和按鍵觸發(fā)信號采用中斷形式，利用中斷服務(wù)子函數(shù)完成各項(xiàng)功能。
3．1 時間信息的解析
由于GPS接收機(jī)M12MT具有多種數(shù)據(jù)輸出格式，其中時間格式默認(rèn)為為格林威治標(biāo)準(zhǔn)時間，故為了保證數(shù)據(jù)解析的正確性，在系統(tǒng)啟動后首先對GPS接收機(jī)進(jìn)行初始化，使其時區(qū)設(shè)定為GMT+8，每秒鐘串口輸出一組數(shù)據(jù)，格式采用@@Eq形式。
由于UART控制器每收到1個字節(jié)即產(chǎn)生一個中斷，故NiosⅡ處理器首先需要對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，當(dāng)收到5個字節(jié)后判斷是否是報(bào)頭，如果是報(bào)頭就繼續(xù)接收，否則計(jì)數(shù)器清零并重新進(jìn)行緩沖。在報(bào)頭解析正確后，處理器將所有報(bào)文依次接收并存儲到緩沖區(qū)中，緩沖區(qū)中的前18位即是時間數(shù)據(jù)，其格式為mm，dd，yy，hh，mm，ss。
需要特別說明的有兩點(diǎn)：第一，由于每一秒的PPS信號早于串口數(shù)據(jù)的輸出，故處理器需要對接收到的時間加1 s，而后利用下一個PPS信號進(jìn)行觸發(fā)；第二，GPS接收機(jī)在鎖定3顆以上衛(wèi)星時時間數(shù)據(jù)才具有可靠性，故需要判斷報(bào)文中的fix標(biāo)志位，如果fix位是1，這表明衛(wèi)星已鎖定，時間信息可靠，PPS信號可以作為觸發(fā)信號。
3．2 采集數(shù)據(jù)的封裝
Audio控制器輸出的數(shù)據(jù)是按照采樣時刻先后順序生成的一系列二進(jìn)制數(shù)值點(diǎn)，為了加入起始時刻的時間標(biāo)志，同時便于評估系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)處理，本錄取系統(tǒng)對采樣起始時刻和采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。首先將采樣數(shù)據(jù)封裝成WAV文件格式，加入相應(yīng)的格式標(biāo)志、采樣率、采樣精度、聲道數(shù)、數(shù)據(jù)長度等信息，然后再在WAV文件的前面加入二進(jìn)制的時間信息形成DAT格式文件。評估系統(tǒng)通過DAT文件中的時間信息和WAV文件中的采樣率等信息即可計(jì)算出每個采樣點(diǎn)的絕對時間。
3．3 文件系統(tǒng)的引用
為了提高SD卡存儲的兼容性，便于通用計(jì)算機(jī)對SD卡的寫入和讀取，本錄取系統(tǒng)利用FAT文件系統(tǒng)對SD卡進(jìn)行讀寫操作。由于處理器中沒有使用操作系統(tǒng)，故需要自己移植文件系統(tǒng)和編寫底層驅(qū)動函數(shù)。
本錄取系統(tǒng)中的文件系統(tǒng)采用層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，共分為3層，即硬件描述層(HAL)、功能層和應(yīng)用層。硬件描述層完成SD卡檢測、控制命令的寫入、數(shù)據(jù)的讀寫等功能；功能層完成塊數(shù)據(jù)的讀寫、查找、替換等功能；應(yīng)用層完成格式化、文件建立與刪除、文件寫入與讀出等功能。主函數(shù)調(diào)用應(yīng)用層的功能函數(shù)即可完成對SD卡的文件操作。

4 結(jié)論
本文介紹了一種利用SOPC技術(shù)在FPGA平臺上實(shí)現(xiàn)帶有時標(biāo)的嵌入式語言信號錄取系統(tǒng)，不但論述了錄取系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理，而且對GPS控制器、Audio控制器、SD卡控制器等硬件設(shè)計(jì)和GPS時間解析、采集數(shù)據(jù)的封裝、文件系統(tǒng)的引用等軟件編寫進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。經(jīng)實(shí)際使用驗(yàn)證，本錄取系統(tǒng)能夠在GPS時間觸發(fā)下完成語音信號的錄取，錄取得到的數(shù)據(jù)帶有時標(biāo)信息，能夠滿足語音電臺抗干擾客觀評估系統(tǒng)的技術(shù)要求。