基于USB主機結構的數字錄音技術研究

    　隨著數字技術的發(fā)展，錄音技術也進入了數字化階段。目前數字錄音系統應用已非常廣泛，如電力、鐵路、石油等行業(yè)的指揮調度，機場、港口、公安、軍事等要害部門的錄音和監(jiān)聽，金融行業(yè)授權指令的實時錄音，無線尋呼臺、電信局、服務行業(yè)的服務等。數字錄音系統為及時了解和發(fā)現事故原因以及提供準確可靠的原始錄音記錄發(fā)揮了巨大作用。

   

   　目前，很多數字錄音系統是基于PC實現的。語音數據采集后通過串口實時傳送到PC進行數字語音的存儲，再由PC對數字語音數據進行后期處理。但是在很多應用場合(如移動裝置、野外作業(yè)、竊聽等)，由于受布線、成本、安裝空間及環(huán)境等影響，基于PC的數字錄音方案受到限制。這些應用場合下，如何實現語音數據的存儲就成為關鍵。

 

   　方案一是采用無線傳輸。實時將采集到的語音數據傳送。但是由于受無線數據傳輸的距離、速度以及實現成本的限制，這種方案的可行性不高；

 

   　方案二是采用可移動的存儲體。目前應用較廣的有CF、SD等存儲卡和基于USB接口的移動存儲設備。從單位字節(jié)存儲成本考慮，存儲卡的成本明顯高于基于USB接口的移動存儲設備。

 

   　另外，PC與存儲卡進行數據交換時必須購買相應的讀卡器，這意味著要增加額外的成本且使用不靈活。隨著USB技術的發(fā)展與不斷成熟，目前幾乎所有PC主板都帶有多個USB接口，且操作系統對USB設備的支持也非常完備。這樣數字語音數據可與任意PC進行數據交換，從而使應用變得非常方便和靈活。因此，研究嵌入式環(huán)境下基于USB主機結構的數字錄音技術就具有實際意義和應用前景。

 

   　1 數字錄音系統的設計和工作原理
   

   　整個錄音系統主要由兩大部分組成。一是語音數據的PCM編碼電路，實現語音的AD轉換；二是USB主機的接口電路。單片機P89C51RD2HBA實現USB-HOST主機協議和語音數據的采集功能，系統原理如圖l所示。

   　2 語音編解碼電路設計

   　2.1 MCl4LC5480芯片簡介
   

   　語音的PCM編碼是將模擬語音信號轉變?yōu)閿底终Z音信號。它是語音數字化的第一步，也是語音壓縮的基礎。MCl4LC5480是Motorola公司生產的μ/A律PCM芯片，具有以下特點：低功耗；低噪聲的全差分模擬電路設計；片內集成有發(fā)送帶通濾波器和接收低通濾波器；具有RC預濾波器后濾波器；μ/A律可選擇。MCl4LC5480的原理如圖2所示。

   　圖2中，RO+、RO-和TI+、TI-分別是PCM模擬語音信號的差分輸出和輸入；PI、PO+、PO-用來放大模擬信號以驅動模擬語音設備；同步控制部分主要用于控制幀同步和位同步，控制引腳主要用于μ/A律的選擇和低功耗模式的選擇。

 

   　2.2 語音編解碼應用電路設計
   

   　 基于MCl4LC5480的語音編解碼應用電路如圖3所示。其中輸入的8kHz時鐘源用于幀同步，2.048MHz的時鐘源用于位同步。PCM輸出即為編碼后的串行輸出數據，再經過SN74HC595轉換為并行數據與單片機的8位數據總線連接；PCM輸入則為串行輸入的數字語音數據。在圖3中，8kHz、2.048MHz時鐘源可用Motorola公司的MC74HC4060產生。具體實現如圖4所示。

 

　　3 USB主機接口電路設計

　　3.1 USB-HOST接口芯片SL811HS簡介
   

　　SL811HS是Cypress公司推出的一種遵從USB1.1協議的嵌入式USB Host／Slave芯片。該芯片既能與USB低速設備通信，也能與USB高速設備通信。由于提供了8位寬的數據總線及中斷支持，使得該芯片能方便地與微處理器、微控制器以及DSP連接。SL811HS可以在Host／Slave兩種模式下工作。該芯片具有以下特點：

   

　　 (1)自動探測所接設備是低速設備還是高速設備；
  

　　  (2)具有8位雙向數據總線及片上SIE、USB收發(fā)器；
   

　　(3)自動產生SOF令牌包及自動生成令牌包、數據包中所需要的CRCS／CRCl6數據；
   

　　 (4)內部256B RAM，支持乒乓操作；
   

　　 (5)支持SUSPEND／RESUME、WAKE UP、LDW-POW-ER模式。

 

　　3．2 USB-HOST接口電路設計
   

　　 SL811HS的接口電路原理如圖5所示。

 

　　由于系統只需要具有USB主機的功能，因此只需將控制SL811HS為主機或從機工作方式的M／S管腳接地。SL811HS的地址數據復用總線AD[7：0]與單片機P89C51RD2HBA的P0口連接。其中SL811HS的A0功能較為靈活。AO=0時表示數據線上的數據是SL811HS的RAM空間的地址指針；A0=1時則讀寫指定地址的RAM數據，從而實現數據的傳輸。

 

　　而且它支持地址自增模式，即可讀寫連續(xù)地址單元中的數據，而不需要多次寫入地址，從而大大提高傳輸速度。為了提高系統的抗干擾能力和穩(wěn)定性，VDD引腳的去耦電容采用103電容。并且在設計PCB時DATA+和DATA-的走線盡量短，整個PEB板做覆銅處理。

 

　　4 軟件設計與實現

　　4．1 USB主機對設備的枚舉軟件框架設計
   

　　枚舉是任何USB設備使用前必經的過程，因此枚舉作為整個USB通信的前提顯得非常關鍵。下面依照自底向上的軟件設計方法實現USB主機對設備的枚舉。整個USB主機系統的實現也是按照層次由底向上的設計思路，這樣便于系統移植。

   

　　 (1)MCU與sL811HST的底層通信。這是整個USBHost模塊的基礎，它主要包括對SL8llHS字節(jié)的讀／寫和字節(jié)串的讀／寫等函數。
   

　　 (2)USB最底層數據包發(fā)送的實現。這是一個發(fā)送數據包的函數，參數包括發(fā)送的數據包類型、端點地址、端點負載、傳輸長度和數據緩存區(qū)地址指針。
   

　　 (3)控制傳輸和USB協議棧標準請求命令的實現?？刂苽鬏斨饕糜诎l(fā)送和接收與USB設備的配置信息相關的數據，包括建立階段、可選數據階段和狀態(tài)階段。每個階段都由特定的事務(USB最底層數據包的發(fā)送)組成。建立階段發(fā)送規(guī)定格式的USB標準請求命令；數據階段是可選的，它根據建立階段指明的傳輸方向傳輸具有USB定義的數據，該階段包含一個或多個IN／OUT事務；狀態(tài)階段用于報告建立階段和數據階段的傳輸結果。
   

　　 (4)USB設備的枚舉。根據USB協議的規(guī)定，在調用標準請求命令函數的基礎上,實現主機對USB設備的枚舉。首先通過缺省地址0獲取設備描述符，如廠商ID、產品ID、設備類等信息；之后為設備分配新的地址；然后通過這個新地址與設備通信，獲取配置描述符、接口描述符、端點描述符等；根據獲取的配置描述符信息，為設備設定一個配置。
   

　　 (5)整個USB的協議框架。至此，整個USB主機的活動特性已了解。從(1)～(4)，層層遞進，一級比一級高級。最簡單地說，就是(4)中宏觀的USB主機活動是由最底層的(1)實現。

 

　　而(1)中的函數是完全與硬件相關的部分，且越往上與硬件的關系越小，以至于在(4)中的層次就完全是與硬件無關的軟件平臺。這也為整個系統的移植奠定了基礎，只需修改與硬件緊密相關的函數體即可。

 

　　4.2 主機與存儲設備之間的數據傳輸
   

　　數字語音存儲應用中采用的移動存儲設備是Mass Storage類(海量存儲類)。Mass Storage類主要用于軟磁盤接口、ATA接口、IDE硬盤接口及Flash存儲器等設備建立的USB接口。

 

　　不同的數據存儲載體接口構成了Mass Storage類的子類，UFI即為實現軟磁盤接口的Mass Storage類的子類。各個子類都有一套自己的協議，并通過命令的形式實現各種功能。這些命令都是各子類所特有的，與USB沒有任何關系，只是在uSB傳輸時被打包成一系列的命令包進行傳輸。而真正與Mass Storage的傳輸方式相關的是其傳輸協議。

   

　　 BULK-ONLY協議沒有使用中斷和控制端點，僅使用BULK(批量)端點進行命令、數據和狀態(tài)的傳輸。批量傳輸方式不受時間限制并能保證數據的完整性。在這種傳輸方式下，有三種類型的數據在USB與設備之間傳送：CBW、CSW和普通數據。

 

　　圖6描述了主機端數據傳輸方式。從圖6可以看到數據段一分為二，一個是數據輸出(主機發(fā)送數據到設備)，另一個是數據輸入(主機從設備獲取數據)。主機發(fā)送CBW，這個CBW本身作為描述符的負載數據傳輸到設備。CBW的封包也包括封包頭和 圖6 BULK-ONLY傳輸方式命令塊兩部分。封包頭表征了數據傳輸方向傳輸的邏輯單元和命令塊長度，命令塊是真正需要實現的命令。

　　4．3 數字語音數據存儲
  

　　  (1)單片機對移動存儲設備的讀寫
   

　　對USB移動存儲設備的讀寫需要對存儲體的存儲格式有一定了解。FAT文件系統通過Mass Storage類的UFI子類命令與u盤建立聯系，并在系統中建立一個U盤的空間結構實現寫文件、讀文件等功能。對于只有一個分區(qū)的FATl6格式的U盤，其結構依次是主引導記錄(MBR)、系統引導記錄(DBR)、文件分配表(FAT)、文件目錄表(FDT)和數據區(qū)(DATA)。

 

　　MBR包括446字節(jié)的主引導代碼、64字節(jié)的DPT(Disk Partition Table，磁盤分區(qū)表)和“55．AA”的結束標志。DBR是操作系統可以直接訪問的第一扇區(qū)，它包括一個引導程序和一個被稱為BPB(Bios Parameter Block)的本分區(qū)參數記錄表。

 

　　BPB含有對文件系統操作的關鍵信息，因此非常重要。在對U盤進行讀寫前首先要讀取MBR扇區(qū)和DBR扇區(qū)，以獲取DPT和BPB信息作為文件系統操作的基礎；然后根據FAT表中簇的使用情況為相應文件進行分配(回收)并在FDT表中注冊(刪除)文件屬性等信息，即可實現對文件寫、刪除等操作。

  

　　  (2)數字語音文件的實時存儲
   

　　 在本應用系統中，把實時采集編碼后的數字語音按文件格式存儲到uSB接口的移動存儲設備上，以實現嵌入式環(huán)境下實時語音數據的存儲與交換。對于存儲后的數字語音文件可在PC環(huán)境下作后期處理，非常方便和靈活。整個系統的主循環(huán)程序設計流程如圖7所示。根據實際應用需求，設計了兩路實時語音的采集編碼，每路語音的數據速率為8kbps。

 

　　由于語音數據是恒定速率輸入且長時間存儲的數據量比較大，因此如何提高存儲速度以保證語音數據的實時存儲就非常重要。為此系統采用前后臺操作方式，即語音數據的緩存在中斷服務程序中完成，并且每路語音數據均采用雙緩沖區(qū)形式。其中一個用于實時采集的語音數據緩存，另一個用于USB主機發(fā)送到U盤的數據緩存。

 

　　在系統運行中兩個緩沖區(qū)的角色動態(tài)切換。在系統緩存容量允許的情況下，每個緩沖區(qū)大小盡可能大一些。因為對U盤一次性寫入的文件容量越大，平均字節(jié)的系統開銷越小，速度越快。數字語音文件存儲到u盤的操作在后臺主循環(huán)中實現，主循環(huán)對兩個緩沖區(qū)滿標志進行查詢來決定當前待發(fā)送的緩沖區(qū)，發(fā)送完畢后清除相應的緩沖區(qū)滿標志。所以通過有效分配緩沖區(qū)大小和雙緩沖方式能有效提高數據存儲速度，再通過采用前后臺的操作方式更好地保證數據存儲的實時性能。

　　本文主要研究了嵌入式環(huán)境下基于USB-HOST結構的數字錄音技術及其實現，目前已通過系統調試。系統能夠完成設計預期的對兩路語音的實時存儲，且長時間運行穩(wěn)定性較好。在設計中由于USB主機協議框架部分按自底向上的層次設計方法，因此系統具有很好的移植性，稍做修改即可移植到如數據采集系統、工控領域等應用場合。