摘? 要: 介紹一種基于IDE硬盤的大容量" title="大容量">大容量語音記錄" title="語音記錄">語音記錄儀的設(shè)計(jì)方法,重點(diǎn)闡述了大容量語音記錄儀的硬件和軟件設(shè)計(jì),。

　　關(guān)鍵詞: 大容量語音記錄儀? 單片機(jī)? IDE? D6571E? PIO

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　　隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅猛發(fā)展,公安,、鐵路,、民航,、金融等部門對語音記錄的需求不斷增長,。用戶經(jīng)常需要回放時(shí)間長達(dá)幾個(gè)月,、甚至幾年的大容量語音記錄儀,而目前國內(nèi)可見到的語音記錄儀大多只能連續(xù)記錄幾百小時(shí)(即一個(gè)月左右),。而大容量的語音記錄儀一般是基于PC機(jī),設(shè)備體積較大,使用不便,。近年來作為數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)的硬盤,以其容量大,、接口智能化程度高、控制方便越來越受到人們的重視,。充分發(fā)揮硬盤的優(yōu)勢,脫離系統(tǒng)主機(jī),可以為用戶開發(fā)出超大存儲容量,、性能可靠的語音記錄儀。

　　本文提出了采用單片機(jī)控制硬盤對語音數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲的方案。其最大優(yōu)點(diǎn)是可記錄語音時(shí)間長達(dá)幾個(gè)月甚至幾年,并能達(dá)到較高的性能指標(biāo),。

　　基于IDE硬盤的大容量語音記錄儀的特點(diǎn):

　　(1)以單片機(jī)為核心,采用PIO模式進(jìn)行硬盤的讀寫,可大大提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比,使得語音記錄時(shí)間長達(dá)1500小時(shí)(6GB硬盤),。若換用更大容量硬盤,可實(shí)現(xiàn)更長語音記錄時(shí)間,達(dá)到連續(xù)工作幾個(gè)月甚至幾年的要求。

　　(2)采用DSP芯片D6571E,其語音壓縮算法采用TRUESPEECH Triple Rate Coder,8kHz采樣頻率下語音壓縮速率為9.6,、7.2或4.4kbps,MOS指標(biāo)可達(dá)到3.98,。

　　(3)采用大規(guī)模可編程邏輯器件CPLD對系統(tǒng)數(shù)字邏輯電路進(jìn)行集成,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性,具有較好的通用性,可滿足多種場合的需要,不需改動任何硬件,。

　　(4)預(yù)留遠(yuǎn)程調(diào)度電話接口,可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)聽,、查詢等功能。

　　(5)由于采用4層PCB線路板設(shè)計(jì),、表貼工藝和超薄筆記本硬盤,使得基于IDE硬盤的大容量語音記錄儀體積如普通電話機(jī)大小,可實(shí)現(xiàn)對一路電話進(jìn)行高阻并聯(lián)錄音,并可在本機(jī)播放記錄語音和遠(yuǎn)程調(diào)度記錄語音,。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 D6571E芯片

　　在本系統(tǒng)中,選擇DSP芯片D6571E,其語音壓縮算法采用TRUESPEECH Triple Rate Coder。由于該算法的實(shí)時(shí)運(yùn)算需要22MIPS以上的運(yùn)算速度,為此將DSP內(nèi)核和算法代碼集成在D6571E芯片內(nèi),。D6571E的典型應(yīng)用電路如圖1所示,。

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??? D6571E具有16位寬的總線,但也允許以分時(shí)方式使用8位總線,這時(shí)CPU須用HI/LO信號表示送到總線上的是高8位還是低8位;當(dāng)D6571E主動將數(shù)據(jù)送到總線上時(shí),會發(fā)出ACK信號通知CPU讀取數(shù)據(jù)。HSTRD和HSTWR則是讀和寫的控制線,。由于TRUESPEECH Triple Rate Coder算法按30ms分幀采樣,然后進(jìn)行分析壓縮,因此無論是讀取壓縮數(shù)據(jù)還是回送壓縮數(shù)據(jù),均必須在一幀內(nèi)完成,否則D6571E會自行進(jìn)入休眠狀態(tài),。向D6571E輸送語音數(shù)據(jù)的過程如下:首先送出解壓控制命令,然后接收一個(gè)回送狀態(tài)字,狀態(tài)字中包含了當(dāng)前幀所需要的字節(jié)數(shù),CPU就連續(xù)送出規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù),待一幀處理完畢后,D6571E會繼續(xù)送出狀態(tài)字,如此循環(huán)就可連續(xù)回放語音了。而利用D6571E進(jìn)行語音壓縮的數(shù)據(jù)處理過程正好相反,狀態(tài)字中包含的是當(dāng)前幀壓縮所得到的字節(jié)數(shù),CPU應(yīng)連續(xù)接收規(guī)定數(shù)目的數(shù)據(jù),。

　　D6571E芯片具備工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編解碼器接口,可直接與串行PCM接口的音頻編解碼芯片相連,如美國國家半導(dǎo)體的TP3054(μ律),、TP3057(A律)等。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中音頻編解碼接口芯片采用了TP3057,。TP3057工作所需的同步脈沖,、采樣時(shí)鐘、數(shù)據(jù)信號等只需與D6571E的4根控制線相連即可得到,。

　　由于D6571E的控制命令很豐富,在大容量語音記錄儀的設(shè)計(jì)中,筆者利用D6571E實(shí)現(xiàn)數(shù)字音量控制,、自動增益控制、變速回放,、雙音頻信號產(chǎn)生和鑒別,、來電顯示等功能,省去了不少功能芯片、線路板面積,使得最終設(shè)計(jì)成型的大容量語音記錄儀體積如普通電話機(jī)大小,。

1.2 IDE硬盤的控制

　　利用單片機(jī)控制現(xiàn)有的硬盤,可極大地提高系統(tǒng)的性能價(jià)格比,因此本系統(tǒng)采用單片機(jī)控制硬盤進(jìn)行語音數(shù)據(jù)的存儲,。

IDE接口的硬盤驅(qū)動器提供了兩種數(shù)據(jù)傳輸模式:PIO模式和DMA模式。由于PIO模式控制相對容易,提供了一種編程控制輸入/輸出的快速傳輸方法,。該模式采用高速的數(shù)據(jù)塊I/O,以扇區(qū)為單位,用中斷請求方式與CPU進(jìn)行批量數(shù)據(jù)交換,。在扇區(qū)讀寫操作時(shí),一次按16位長度通過內(nèi)部的高速PIO數(shù)據(jù)寄存器傳輸。通常情況下,數(shù)據(jù)傳輸以扇區(qū)為單位,每傳輸一扇區(qū)數(shù)據(jù)產(chǎn)生一個(gè)中斷,。由于本系統(tǒng)語音壓縮數(shù)據(jù)的最大速率只有9.6kbps,而相關(guān)資料報(bào)道采用PIO寫盤速度可以達(dá)到192kbps,完全可以滿足本系統(tǒng)的要求,。

　　本系統(tǒng)采用Hitachi(日立)公司DK23AA-60型號的筆記本硬盤,。它具有6GB的存儲容量,厚度僅有9.5mm,它的引腳及定義如圖2所示。

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　　IDE接口是一種任務(wù)寄存器結(jié)構(gòu)的接口,所有輸入輸出操作均通過對相應(yīng)寄存器的讀寫完成,。IDE硬盤驅(qū)動器中的寄存器及地址分配見表1,。表2為狀態(tài)寄存器" title="狀態(tài)寄存器">狀態(tài)寄存器,它反映了硬盤驅(qū)動器執(zhí)行命令后的狀態(tài)。

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　　狀態(tài)寄存器中各位定義如下:

　　BSY:驅(qū)動器忙;

　　DRDY:驅(qū)動器準(zhǔn)備好;

　　DWF:驅(qū)動器寫失敗;

　　DSC:尋道結(jié)束;

　　DRQ:請求服務(wù),驅(qū)動器希望通過數(shù)據(jù)寄存器與CPU交換一字節(jié)數(shù)據(jù);

　　CORR:當(dāng)可以糾正的讀錯(cuò)誤發(fā)生時(shí),該位置1,數(shù)據(jù)傳輸將繼續(xù)進(jìn)行;

　　IDX:收到索引信號;

　　ERR:命令執(zhí)行出錯(cuò),。

　　在向硬盤驅(qū)動器發(fā)出命令前,必須先檢測硬盤驅(qū)動器是否忙碌(D7=1),。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)硬盤驅(qū)動器一直忙碌,則置超時(shí)錯(cuò);否則表示硬盤驅(qū)動器空閑,可接受命令。

　　如果CPU要對硬盤寫數(shù)據(jù),首先CPU把必要的參數(shù)寫入對應(yīng)的地址寄存器,等待DRDY有效;然后將操作碼寫入命令寄存器,同時(shí)驅(qū)動器設(shè)置狀態(tài)寄存器的DRQ位,表示準(zhǔn)備好接收數(shù)據(jù),CPU通過數(shù)據(jù)寄存器將數(shù)據(jù)寫入扇區(qū)緩沖區(qū);當(dāng)扇區(qū)緩沖區(qū)填滿后,驅(qū)動器清除DRQ位,并置位BSY,驅(qū)動器將扇區(qū)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入磁盤;當(dāng)寫盤結(jié)束,清除BSY位,發(fā)中斷請求信號INTRQ;CPU接收到中斷信號后,讀驅(qū)動器狀態(tài)寄存器,同時(shí)將中斷信號INTRQ撤除,。

　　如果CPU要對硬盤進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作,首先將參數(shù)寫入地址寄存器和特性寄存器(如果需要);然后把命令碼寫入命令寄存器,命令開始執(zhí)行,。這時(shí)驅(qū)動器置狀態(tài)寄存器中的BSY為1,同時(shí)將硬盤上指定扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)送入扇區(qū)緩沖區(qū)。當(dāng)扇區(qū)緩沖區(qū)準(zhǔn)備好數(shù)據(jù)后,置位DRQ,清BSY,發(fā)中斷請求信號INTRQ,。CPU檢測到中斷后,讀取狀態(tài)寄存器,測試ERR位,若等于1則轉(zhuǎn)入出錯(cuò)處理;否則DRQ位為1,CPU從扇區(qū)緩沖區(qū)讀取數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)讀完后,驅(qū)動器復(fù)位DRQ位,然后驅(qū)動器重新設(shè)置BSY位,。

1.3 工作原理

　　基于IDE硬盤的大容量語音記錄儀主要由單片機(jī)、D6571E,、IDE接口筆記本硬盤,、A律編解碼芯片TP3057、可編程邏輯器件MAX7128S,、160×32 LCD模塊,、鍵盤、時(shí)鐘芯片,、振鈴檢測芯片TCM1520A,、電話線接口和電源等部分組成,系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

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　　單片機(jī)選用WINBOND公司的W78E52,。它是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心,完成對IDE硬盤,、LCD等的初始化,接收D6571E壓縮后的語音數(shù)據(jù)并存儲在硬盤上,通過D6571E回放硬盤上的語音數(shù)據(jù)。W78E52是一款完全與8051兼容的8位單片機(jī),它增加了Watchdog Timer和內(nèi)部電源管理等功能,并且是目前少數(shù)可運(yùn)行在最高40MHz晶振的單片機(jī)之一,。本系統(tǒng)中的單片機(jī)W78E52運(yùn)行在40MHz晶振下,以提高運(yùn)行速度,。

　　整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)字邏輯部分采用一片ALTERA公司的大規(guī)模可編程邏輯器件MAX7128S,它完成單片機(jī)與IDE硬盤,、D6571E,、LCD顯示和鍵盤的接口邏輯控制?？删幊踢壿嬈骷﨧AX7128S的程序設(shè)計(jì)采用目前較為通用和流行的VHDL語言,用MAX+plusⅡ和FPGA Express軟件編譯仿真完成,。

　　一片D6571E完成對并聯(lián)話機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測,。當(dāng)D6571E監(jiān)測到并聯(lián)線路上有語音信號時(shí),判斷并聯(lián)話機(jī)有去話;當(dāng)振鈴檢測芯片TCM1520A檢測到并聯(lián)線路上有振鈴時(shí),判斷并聯(lián)話機(jī)有來話,。當(dāng)并聯(lián)話機(jī)存在來話和去話時(shí),D6571E開始記錄語音,并將壓縮的語音數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給單片機(jī)。單片機(jī)負(fù)責(zé)將語音數(shù)據(jù)存儲在硬盤上,并附加上相關(guān)的日期時(shí)間,、來去話標(biāo)志,、主被叫電話號碼和通話時(shí)長等索引內(nèi)容,以便查詢使用。當(dāng)本機(jī)需要回放語音記錄或遠(yuǎn)程調(diào)度時(shí),單片機(jī)將硬盤上的語音壓縮數(shù)據(jù)通過另外一片D6571E解壓轉(zhuǎn)變成語音。

　　160×32 LCD可顯示16×16點(diǎn)陣的漢字兩行,每行10個(gè)漢字,。它主要用于顯示系統(tǒng)的日期時(shí)間,、提示信息或狀態(tài)信息,方便用戶的使用。

　　系統(tǒng)中鍵盤可實(shí)現(xiàn)本機(jī)對語音記錄的回放選擇以及對D6571E工作的預(yù)置值進(jìn)行設(shè)定,如語音壓縮率的選擇,、調(diào)節(jié)音量等,。

　　遠(yuǎn)程調(diào)度電話線接口可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)聽和查詢等功能。系統(tǒng)在檢測到遠(yuǎn)程調(diào)度電話線上的振鈴信號后,將模擬摘機(jī),同時(shí)向主叫播放語音提示,。主叫可按照語音提示操作,即可監(jiān)聽到硬盤上的任意一段語音記錄,甚至可以監(jiān)聽到系統(tǒng)正在記錄的語音,。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件包含有主程序、中斷服務(wù)程序" title="中斷服務(wù)程序">中斷服務(wù)程序和任務(wù)子程序" title="子程序">子程序等,。

主程序主要完成對IDE硬盤,、D6571E、LCD等的初始化,并檢測任務(wù)表是否空,若不空則執(zhí)行相應(yīng)任務(wù),。圖4所示為系統(tǒng)主程序流程圖,。

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　　中斷服務(wù)程序主要包括T0中斷服務(wù)程序、INT0中斷服務(wù)程序,、INT1中斷服務(wù)程序等,。T0中斷服務(wù)程序主要負(fù)責(zé)定時(shí)喂看門狗、掃描鍵盤讀鍵值等,并寫相關(guān)任務(wù)到任務(wù)表中,。INT0,、INT1中斷服務(wù)程序分別響應(yīng)系統(tǒng)中2片D6571E的中斷請求,將并聯(lián)話機(jī)通話的語音壓縮任務(wù)和記錄語音的播放任務(wù)寫到任務(wù)表中,待主程序調(diào)用執(zhí)行。

　　任務(wù)子程序主要有LCD顯示子程序,、D6571E對語音的壓縮子程序,、D6571E對語音的解壓子程序、讀寫IDE硬盤子程序,、振鈴處理子程序等,。

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參考文獻(xiàn)

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