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基于IDE硬盤的大容量語(yǔ)音記錄儀
摘要：介紹一種基于IDE硬盤的大容量語(yǔ)音記錄儀的設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)闡述了大容量語(yǔ)音記錄儀的硬件和軟件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：大容量語(yǔ)音記錄儀單片機(jī)IDED6571EPIO
隨著我國(guó)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(duì)語(yǔ)音記錄的需求不斷增長(zhǎng)。用戶經(jīng)常需要回放時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月、甚至幾年的大容量語(yǔ)音記錄儀，而目前國(guó)內(nèi)可見到的語(yǔ)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(yǔ)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(lái)作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(lái)越受到人們的重視。充分發(fā)揮硬盤的優(yōu)勢(shì)，脫離系統(tǒng)主機(jī)，可以為用戶開發(fā)出超大存儲(chǔ)容量、性能可靠的語(yǔ)音記錄儀。
本文提出了采用單片機(jī)控制硬盤對(duì)語(yǔ)音數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)的方案。其最大優(yōu)點(diǎn)是可記錄語(yǔ)音時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)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(yǔ)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(yǔ)音記錄時(shí)間長(zhǎng)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(zhǎng)語(yǔ)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D6517E，其語(yǔ)音壓縮算法采用TRUESPEECHTripleRateCoder，8kHz采樣頻率下語(yǔ)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(duì)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(chǎng)合的需要，不需改動(dòng)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(yǔ)音記錄儀體積如普通電話機(jī)大小，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yǔ)音和遠(yuǎn)程調(diào)度記錄語(yǔ)音。
圖1D6571E的典型應(yīng)用電路
1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1.1D6571E芯片
在本系統(tǒng)中，選擇DSP芯片D6571E,其語(yǔ)音壓縮算法采用TRUESPEECHTripleRateCoder。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。
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(hào)表示送到總線上的是高8位還是低8位；當(dāng)D6571E主動(dòng)將數(shù)據(jù)送到總線上時(shí)，會(huì)發(fā)出ACK信號(hào)通知CPU讀取數(shù)據(jù)。HSTRD和HSTWR則是讀和寫的控制線。由于TRUE-SPEECHTripleRateCoder算法按30ms分幀采樣，然后進(jìn)行分析壓縮，因此無(wú)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(huì)自行進(jìn)入休眠狀態(tài)。向D6571E輸送語(yǔ)音數(shù)據(jù)的過(guò)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(huì)繼續(xù)送出狀態(tài)字，如此循環(huán)就可連續(xù)回放語(yǔ)音了。而利用D6571E進(jìn)行語(yǔ)音壓縮的數(shù)據(jù)處理過(guò)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(guó)國(guó)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(hào)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(yǔ)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(dòng)增益控制、變速回放、雙音頻信號(hào)產(chǎn)生和鑒別、來(lái)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(jì)成型的大容量語(yǔ)音記錄儀體積如普通電話機(jī)大小。
1.2IDE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(yǔ)音數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。
圖2DK23AA-60硬盤引腳及定義
IDE接口的硬盤驅(qū)動(dòng)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(duì)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(qǐng)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(zhǎng)度通過(guò)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(yǔ)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(hào)的筆記本硬盤。它具有6GB的存儲(chǔ)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(guò)對(duì)相應(yīng)寄存器的讀寫完成。IDE硬盤驅(qū)動(dòng)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(dòng)器執(zhí)行命令后的狀態(tài)。
表1IDE硬盤驅(qū)動(dòng)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(cuò)誤寄存器特性寄存器01010扇區(qū)數(shù)寄存器01011扇區(qū)號(hào)寄存器01100柱面號(hào)寄存器：低字節(jié)01101柱面號(hào)寄存器：高字節(jié)01110驅(qū)動(dòng)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(dòng)器忙；
DRDY：驅(qū)動(dòng)器準(zhǔn)備好；
DWF：驅(qū)動(dòng)器寫失�。�
DSC:尋道結(jié)束；
DRQ：請(qǐng)求服務(wù)，驅(qū)動(dòng)器希望通過(guò)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：收到綜引信號(hào)；
ERR：命令執(zhí)行出錯(cuò)。
在向硬盤驅(qū)動(dòng)器發(fā)出命令前，必須先檢測(cè)硬盤驅(qū)動(dòng)器是否忙碌（D7=1）。如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)硬盤驅(qū)動(dòng)器一直忙碌，則置超時(shí)錯(cuò)；否則表示硬盤驅(qū)動(dòng)器空閑，可接受命令。
如果CPU要對(duì)硬盤寫數(shù)據(jù)，首先CPU把必要的參數(shù)寫入對(duì)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)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(guò)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(dòng)器清除DRQ位，并置位BSY，驅(qū)動(dòng)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(qǐng)求信號(hào)DNTRQ；CPU接收到中斷信號(hào)后，讀驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)寄存器，同時(shí)將中斷信號(hào)INTRQ撤除。
如果CPU要對(duì)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(shí)驅(qū)動(dòng)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(qǐng)求信號(hào)INTRQ。CPU檢測(cè)到中斷后，讀取狀態(tài)寄存器，測(cè)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(dòng)器復(fù)位DRQ位，然后驅(qū)動(dòng)器重新設(shè)置BSY位。
1.3工作原理
基于IDE硬盤的大容量語(yǔ)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、160×32LCD模塊、鍵盤、時(shí)鐘芯片、振鈴檢測(cè)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(gè)系統(tǒng)的控制核心，完成對(duì)IDE硬盤、LCD等的初始化，接收D6571E壓縮后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在硬盤上，通過(guò)D6571E回放硬盤上的語(yǔ)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WatchdogTimer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)�？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(jì)采用目前較為通用和流行的VHDL語(yǔ)言，用MAX+plusII和FPGAExpress軟件編譯仿真完成。
一片D6571E完成對(duì)并聯(lián)話機(jī)狀態(tài)的監(jiān)測(cè)。當(dāng)D6571E監(jiān)測(cè)到并聯(lián)線路上有語(yǔ)音信號(hào)時(shí)，判斷并聯(lián)話機(jī)有去話；當(dāng)振鈴檢測(cè)芯片TCM1520A檢測(cè)到并聯(lián)線路上有振鈴時(shí)，判斷并聯(lián)話機(jī)有來(lái)話。當(dāng)并聯(lián)話機(jī)存儲(chǔ)來(lái)話和去話時(shí)，D6571E開始記錄語(yǔ)音，并將壓縮的語(yǔ)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(yǔ)音數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在硬盤上，并附加上相關(guān)的日期時(shí)間、來(lái)去話標(biāo)志、主被叫電話號(hào)碼和通話時(shí)長(zhǎng)等索引內(nèi)容，以便查詢使用。當(dāng)本機(jī)需要回放語(yǔ)音記錄或遠(yuǎn)程調(diào)度時(shí)，單片機(jī)將硬盤上的語(yǔ)音壓縮數(shù)據(jù)通過(guò)另外一片D6571E解壓轉(zhuǎn)變成語(yǔ)音。
160×32LCD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(duì)語(yǔ)音記錄的回放選擇以及對(duì)D6571E工作的預(yù)置值進(jìn)行設(shè)定，如語(yǔ)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(cè)到遠(yuǎn)程調(diào)度電話線上的振鈴信號(hào)后，將模擬摘，同時(shí)向主叫播放語(yǔ)音提示。主叫可按照語(yǔ)音提示操作，即可監(jiān)聽到硬盤上的任意一段語(yǔ)音記錄，甚至可以監(jiān)聽到系統(tǒng)正在記錄的語(yǔ)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)程序和任務(wù)子程序等。
主程序主要完成對(duì)IDE硬盤、D6571E、LCD等的初始化，并檢測(cè)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(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(qǐng)求，將并聯(lián)話機(jī)通話的語(yǔ)音壓縮任務(wù)和記錄語(yǔ)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(duì)語(yǔ)音的壓縮子程序、D6571E對(duì)語(yǔ)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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