1． 引言

數(shù)字多路語音記錄器在安全,、監(jiān)控方面有很多應用。一些傳統(tǒng)的設計方案基于工控機,，用數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)語音的A/D轉換,，用軟件實現(xiàn)語音編解碼，這種方案成本高,、功耗大,。如果采用嵌入式的設計方案，可以實現(xiàn)同樣的功能,，并且具有低成本,，低功耗的特點。

普通的低成本嵌入式處理器性能不高,，不足以實現(xiàn)多路語音的實時編碼,、解碼，需要用專門的語音處理芯片完成這一工作,?；贒SP自主設計語音編碼器是一種方法，但工作量大,。AC48304廣泛應用于各種小型VOIP網(wǎng)關中,，價格低廉，是一種很好的替代方案,。同時AC48304還具有DTMF識別和靜音檢測等功能,，便于實現(xiàn)電話號碼識別和語音的自動記錄。

ARM是一種應用廣泛的嵌入式處理器,，Samsung,、Atmel等廠家生產(chǎn)的ARM處理器接口豐富，技術支持全面,。ARM處理器價格低,、性價比高,，向下取代了大量單片機的應用，向上滲透高端嵌入式處理器的市場,。在本多路語音記錄器中,，采用了Samsung的ARM9處理器S3C2410，操作系統(tǒng)則采用了嵌入式linux,。

2． 系統(tǒng)結構

語音記錄器包括語音處理模塊,、ARM系統(tǒng)模塊、硬盤記錄模塊,、網(wǎng)絡接口模塊幾個部分,。為使系統(tǒng)配置靈活，將系統(tǒng)設計為主控板和擴展板兩個部分,，在主控板上實現(xiàn)16路語音通道,，另設計一個16通道的語音擴展板，整個系統(tǒng)可以用4的倍數(shù)進行語音通道的擴展,，最多達到32個語音通道,。計算機控制部分集成S3C2410 處理器、64MB SDRAM及16MB 的FLASH,，構成一個嵌入式小系統(tǒng),。

語音CODEC采用AMD的LE58QL021，該器件是3.3V單電壓用戶線語音處理器,，在小型語音網(wǎng)關中是AC48304的常用搭配,，支持4通道語音AD/DA，支持E1 PCM Highway,，能與AC48304實現(xiàn)無縫連接,。LE58QL021的工作模式可軟件編程控制，ARM通過MPI（Microprocessor Interface）串行控制總線設置LE58QL021的各種工作參數(shù),。

基于DM9000網(wǎng)絡控制器,，系統(tǒng)實現(xiàn)10/100Mbps自適應以太網(wǎng)接口，Linux操作系統(tǒng)提供設備驅動支持,。IDE接口則是由一片CPLD實現(xiàn),，硬盤用于語音的本地記錄。主要部分電路原理見圖1,。



圖1 語音處理模塊的硬件電路原理圖

3． AC48304語音處理器

AC48304是AudioCodes公司基于DSP設計的一個四通道語音處理器,，支持多種標準、多種碼率的G系列語音編碼器,，如G.723.1,，G.711，G.726和G.729等，支持T.38傳真中繼和其他語音信號處理功能,。在系統(tǒng)中,，ARM通過CPU局部總線實現(xiàn)對AC48304的控制及數(shù)據(jù)交換。AC48304與LE58QL021之間通過E1 PCM Highway接口實現(xiàn)多通道數(shù)字語音接口,。E1接口由2.048Mhz時鐘驅動,，有0"31共32個8位時隙，工作時序如圖2所示,。



圖2 PCM Highway時序

AC48304是一種專用的語音處理DSP芯片,，需要運行相應的DSP程序。正常運行前,， AC48304有兩個程序需要下載：kernel（內核）程序和application（應用）程序,。kernel程序是個只有幾百字節(jié)的小程序，完成DSP的初始化工作,，為下載應用程序做準備,。application程序則完成AC48304的所有功能，在kernel程序程序下載完成后,，才可以下載application程序。AC48304有4個工作模式：內核下載模式,、程序下載模式,、初始化模式、運行模式,。其中運行模式有兩個狀態(tài)：空閑狀態(tài)和激活狀態(tài),，用戶只能在空閑狀態(tài)改變芯片的工作參數(shù)。

4． 軟件設計

4．1Linux中的驅動程序設計

操作系統(tǒng)采用的是嵌入式Linux操作系統(tǒng),。Linux具有效率高,、內核小的優(yōu)點，且開放源代碼,，完全免費,。在Linux操作系統(tǒng)下，應用程序不能直接訪問硬件,，盡管Linux在ARM平臺上有較完整的板級支持包,，但在該系統(tǒng)的開發(fā)工作中仍然要完成部分設備的驅動程序設計，包括AC48304驅動程序,、LE58QL021驅動程序,、S-EEPROM驅動程序等。

設備驅動程序要為應用軟件提供設備打開,、關閉,、設備控制及數(shù)據(jù)讀/寫等接口， 即一些類似于open、close,、read和write的函數(shù),，在主程序中直接采用文件讀寫的方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。LE58QL021與ARM處理器之間采用MPI串行控制總線,，MPI驅動接口結構定義如下：  

static file_operations mpi_ctl_fops = {

ioctl:mpi_ctl_ioctl, //設備控制

open:mpi_open, //打開設備

close:mpi

_ close, //關閉設備

}

linux提供ioremap函數(shù)將I/O內存資源的物理地址映射到核心虛地址空間,，然后可像操作寄存器那樣進行數(shù)據(jù)讀寫。編寫驅動程序的時候,，必須提供兩個函數(shù),，一個是module_init()，insmod在加載此模塊的時候自動調用,，負責進行設備驅動程序的初始化工作,，一個函數(shù)是module_exit，在模塊被卸載時調用,，負責進行設備驅動程序的清除工作,。

4．2 AC48304的數(shù)據(jù)讀寫實現(xiàn)

每個AC48304可同時進行4個通道的語音編/解碼，片內有數(shù)據(jù)緩存區(qū),，編碼后的語音數(shù)據(jù)先存儲在各通道的緩存區(qū),，然后依次拷貝到輸出緩沖區(qū)。表1為本系統(tǒng)支持的幾種主要語音編碼格式的相關參數(shù),。其中G.711的A/u律數(shù)據(jù)量最大為64kbps,，每個通道每秒有8000字節(jié)的數(shù)據(jù)，而AC48304的數(shù)據(jù)讀取區(qū)的有效量為80字節(jié),，即每秒鐘要進行100次的讀取操作,，對每個AC48304而言每秒鐘要進行400次讀取操作才能保證數(shù)據(jù)及時讀取。由于語音編碼包是以恒定的速率產(chǎn)生的,，因此每2.5毫秒必須對DSP進行一次讀取操作,。本平臺的Linux內核中，進
程調度算法的時間單位為10毫秒,，在進程中執(zhí)行數(shù)據(jù)的讀取操作很難保證數(shù)據(jù)及時讀取,，如果某個服務進程或者是本進程中的某個控制操作執(zhí)行時間過長，就會造成語音數(shù)據(jù)的丟失,。

表1：語音數(shù)據(jù)特性


Linux中程序運行的環(huán)境分為內核空間和用戶空間,，內核空間的程序優(yōu)先級高于用戶空間。為保證編碼數(shù)據(jù)被及時讀取,，需在內核級別的進程中定時讀取AC48304產(chǎn)生的數(shù)據(jù),。有兩種方式可將用戶程序加入到內核空間中運行：修改Linux內核源代碼，直接將用戶程序代碼編譯到內核中,；利用Linux的模塊機制,，動態(tài)的將用戶程序代碼添加到內核空間中運行。第一種方法實現(xiàn)難度比較大，而且容易出錯,。第二種方法實現(xiàn)難度小,，效果與第一種相同，本系統(tǒng)中采用的是第二種方法,。

將AC48304的讀取操作作為驅動程序進行設計,，使用insmod命令動態(tài)加載到內核中去，在定時中斷的服務函數(shù)中讀取AC48304的數(shù)據(jù),。S3C2410中有5個用戶可編程的時鐘中斷,，中斷優(yōu)先級別高，中斷的頻率可編程控制,，其中時鐘中斷Timer3已用于DMA控制,，Tmer4用于進程調度。本系統(tǒng)的程序設計中使用Timer2,，通過配置相關控制寄存器將Timer2的中斷頻率設為500HZ,，適當?shù)脑黾幼x取查詢操作頻率，保證數(shù)據(jù)及時讀取,。中斷服務函數(shù)是由內核來執(zhí)行的,，優(yōu)先級高于用戶程序，可保證讀取操作的實時性,。為AC48304的每個通道分配一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū),，定時中斷函數(shù)中讀取的數(shù)據(jù)先保存在緩沖區(qū)中，用戶程序通過讀取該緩沖區(qū)獲得語音數(shù)據(jù),，這樣對外部用戶而言，語音數(shù)據(jù)沒有丟失,，語音延遲在毫秒級別,，完全可以滿足需求。

4．3 應用軟件設計

將應用程序及驅動程序文件加入文件系統(tǒng)中,，修改有關啟動的配置文件,，使得系統(tǒng)啟動完畢時自動加載目標程序，這樣每次設備啟動時將自動進入應用程序,。主程序流程如圖3所示,，主程序的功能主要是：

u 系統(tǒng)配置：系統(tǒng)的配置表存儲在一片S-EEPROM中，配置表可以通過串口終端或者網(wǎng)絡在線配置,。

u 初始化系統(tǒng)：包括向DSP下載內核程序和應用程序,，啟動DSP及LE58QL021等。

u 語音數(shù)據(jù)讀寫：通過DSP的HPI總線讀取DSP數(shù)據(jù)實現(xiàn)語音采集,，通過HPI把數(shù)據(jù)寫入DSP實現(xiàn)語音回放,。

u 數(shù)據(jù)存儲：根據(jù)錄音計劃將需要錄音的語音數(shù)據(jù)保存到硬盤中。

u 命令處理：包括選擇語音通道命令、回放命令,、校時命令,、增益調節(jié)命令、配置表傳輸命令,、錄音數(shù)據(jù)上傳命令等,。



圖3.主程序流程圖

5． 結束語

本記錄器最多支持32路語音實時處理，在硬盤上實現(xiàn)長時間錄音,，并可通過10/100Mbps以太網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳和管理,。經(jīng)測試本記錄器可以很好的完成語音數(shù)據(jù)的采集、壓縮,、存儲,、解壓縮和回放，內核級別的用戶進程運行正常,，保證了整個系統(tǒng)的實時性,。該語音記錄器具有低成本、低功耗,、結構精簡,、使用簡單的特點，具有很好的實用價值,。