基于IDE硬盤的大容量語音記錄儀

摘要：介紹一種基于IDE硬盤的大容量語音記錄儀的設(shè)計方法，重點闡述了大容量語音記錄儀的硬件和軟件設(shè)計。關(guān)鍵詞：大容量語音記錄儀 單片機(jī) IDE D6571E PIO 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)常需要回放時間長達(dá)幾個月、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（即一個月左右）。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)行實時存儲的方案。其最大優(yōu)點是可記錄語音時間長達(dá)幾個月甚至幾年，并能達(dá)到較高的性能指標(biāo)。 甚至IDE硬盤的大容易語音記錄儀的特點： (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)的性能價格比，使得語音記錄時間長達(dá)1500小時（6GB硬盤）。若換用更大容量硬盤，可實現(xiàn)更長語音記錄時間，達(dá)到連續(xù)工作幾個月甚至幾年的要求。 (2) 采用DSP芯片D6517E，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)?？删幊踢壿嬈骷﨏PLD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、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。圖1 D6571E的典型應(yīng)用電路1 系統(tǒng)硬件設(shè)計 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。由于該算法的實時運(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。 D6571E具有16位寬的總線，但也允許以分時方式使用8位總線，這時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，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TRUE-SPEECH 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)還是因送壓縮數(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)連接接收規(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)計中，筆者利用D6571E實現(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，使昨最終設(shè)計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。圖2 DK23AA-60硬盤引腳及定義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，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9.6mm，它的引腳及定義如圖2所示。 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，它反映了硬盤驅(qū)動器執(zhí)行命令后的狀態(tài)。表1 IDE硬盤驅(qū)動器中的寄存器及地址分配 地 址寄存器名及功能CS1FXCS3FXDA2DA1DA0讀操作寫操作01000數(shù)據(jù)寄存器01001錯誤寄存器特性寄存器01010扇區(qū)數(shù)寄存器01011扇區(qū)號寄存器01100柱面號寄存器：低字節(jié)01101柱面號寄存器：高字節(jié)01110驅(qū)動器/磁頭寄存器01111狀態(tài)寄存器命令寄存器表02 狀態(tài)寄存器 D7D6D5D4D3D2D1D0BSYDRDYDWFDSCDRQCORRIDXERR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??； 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)可以糾正的讀錯誤發(fā)生時，該位置1，數(shù)據(jù)傳輸將繼續(xù)進(jìn)行； IDX：收到綜引信號； ERR：命令執(zhí)行出錯。 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)定時間內(nèi)硬盤驅(qū)動器一直忙碌，則置超時錯；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，同時驅(qū)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DNTRQ；CPU接收到中斷信號后，讀驅(qū)動器狀態(tài)寄存器，同時將中斷信號INTRQ撤除。 如果CPU要對硬盤進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作，首先把參數(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。這時驅(qū)動器置狀態(tài)寄存器中的BSY為1，同時將硬盤上指定扇區(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%26;#215;32LCD模塊、鍵盤、時鐘芯片、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。單片機(jī)選用WINBOND公司的W78E52。它是整個系統(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。 整個系統(tǒng)的數(shù)字邏輯部分采用一片ALTERA公司的大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨧AX7128S，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。可編程邏輯器件MAX7128S的程序設(shè)計采用目前較為通用和流行的VHDL語言，用MAX+plus II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，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，判斷并聯(lián)話機(jī)有來話。當(dāng)并聯(lián)話機(jī)存儲來話和去話時，D6571E開始記錄語音，并將壓縮的語音數(shù)據(jù)實時傳送給單片機(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)的日期時間、來去話標(biāo)志、主被叫電話號碼和通話時長等索引內(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，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%26;#215;32 LCD可顯示16%26;#215;16點陣的漢字兩行，每行10個漢字。它主要用于顯示系統(tǒng)的日期時間、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，同時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 系統(tǒng)軟件包含有主程序、中斷服務(wù)程序和任務(wù)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。 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。 晶振相關(guān)文章:晶振原理