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具有远程操作功能的数码录音机设计 北方交通大学金良海 摘要介绍一种数码录音机的设计方案。它采用DSP压缩语音数据，并将压缩后的语音数据保存到FLASH存储器中，从而实现语音的录、放功能。它还具有电话接口，即不管在何处，都可通过电话操作远方的数码录音机。 关键词DSP闪速存储器单片机程序设计 随着科学技术的发展，磁带式录音机必然会被数字式的录音设备所替代。本文介绍一种带有远程电话查询功能的数字化语音记录设备——数码录音机的设计方案。该录音机是一个基于单片机的应用系统，采用DSP对语音数据进行压缩和解压，并将压缩后的语音数据和日期时间一起保存到FLASH存储器中，放音时跟踪显示通话段的时间。本录音机能同时记录2个话音通道，录/放音可同时进行，互不影响。存储器采用卡式结构，便于用户更换，最大存储时间为64h(小时)。显示器采用128×64图形点阵液晶，显示界面采用汉字菜单窗口，操作简单明了。具有的电话接口连接电话后，不管在什么地方，用户可以通过电话来操作远方的数码录音机（如查询或放音某段通话）。所有的硬件设置（如话音增益、录音门槛、录音延时、电话振铃次数等等）都是通过软件完成的。另外，本设备还配有串行口，可以将语音数据传送到PC机上，以便长期保存。 一、 硬件结构 整个系统大体上由如下几个部分构成：模拟信号处理、DSP压扩（压缩和解压）、FLASH存储卡、单片机控制系统、电话接口。结构如图１所示。 图1系统硬件结构图1 模拟信号处理 该模块用于调理输入的话音信号。每个通道都包含２对平衡输入和２对不平衡输入。该模块对平衡输入信号进行隔离，再对由于隔离引起的频响偏差进行放大补偿;对于非平衡输入，则直接进行放大，然后将这些放大后的信号混合并再次放大。２个通道的第二级放大都是由程序控制的。它们的放大倍数由软件分别设定。一旦设定后，该模块就保存着这２个参数，并作为其缺省的工作参数（本模块具有记忆功能）。本模块还包含２个模拟比较器。当输入的信号电平超过预定的录音门槛时，就输出一个录音启动信号，中央单片机检测到这个控制信号后，就启动相应通道的录音。２个通道的录音门槛都是由软件设定的，一旦设定后，就被记忆起来。 输入的语音信号经过该模块的调理后，送到“DSP压扩模块”中的编/解码器，进行编码（转换成PCM码）。 2 DSP压扩模块 DSP压扩模块对数字化后的语音数据进行压缩和解压。语音信号经过“模拟信号处理模块”调理后，送往编/解码器，将之数字化，转换成PCM码，再送到DSP进行压缩。压缩后的语音数据和日期时间一起，由中央单片机保存到FLASH存储器中。放音时，中央单片机从FLASH存储器中读取语音数据，送到DSP进行解压，还原成PCM码，再送入编/解码器，转换成音频信号并送到功放电路输出。 这里的编/解码器芯片采用的是美国国家半导体公司生产的A律编/解码芯片TP3057。该芯片包含有A/D、D/A转换电路和一个串行PCM接口，其编码部分包含一个增益可调的放大器和一个RC前置滤波器。 一般来说，做语音压缩时，有二种方法：一种是利用通用的DSP芯片（如ADI公司的AD218X、TI公司的TMS320CXXX）和国际上的一些现有算法（如ITU\ T G.723），自己编程序实现;另一种方法是利用一些事先已固化好语音压缩算法的成品DSP。在前一种方法中，工作量大、成本高、硬件复杂，而且不能保证自己设计的程序百分之百正确，算法也不一定能达到最优，其优点是容易控制;在后一种方法中，成本低、硬件简单，而且由于厂家专门从事此项研究，往往能保证在压缩算法上达到最优，有时还具有独到之处，其缺点是不容易进行深入的控制。在本设计中，我们采用后一种方法，使用美国DSPG公司（DSP GROUP，INC.）的D6571芯片。DSPG公司是一家专门从事数字电话答录机芯片研究的公司，在语音压缩上有一些独到的技术，如Windows 95就支持该公司开发的TrueSpeech 85Kbps 语音压缩格式。D6571是DSPG公司生产的数字电话答录机芯片，在该芯片上实现了PCM数据压缩/解压、语音提示、数字自动增益、电话信号监测等功能。进行数据压缩时，压缩率可选41Kbps、6.3Kbps、8.5Kbps。该芯片除了支持一般的电话答录机芯片的所有功能外，还提供一种“数据泵”（data pump）的工作方式。在这种工作方式下，该芯片被用作一个专用的数据压缩/解压芯片（声码器），它与主CPU通过命令/状态的方式交换信息。录音时，D6571每隔33ms向主CPU发送一次中断请求，表示已经压缩好一帧数据，主CPU响应中断后，读取这一帧数据。这样连续不断地进行下去，就可录制一段完整的话音。放音过程与录音类似。本设计就使用这种工作方式。 3 FLASH存储卡 FLASH存储卡用于保存语音数据，由8片韩国SAMSUNG公司的128Mbit(位)闪速存储器K9F2808U构成。该芯片的擦写次数为一百万次，工作电压为2.7~3.6V，具有接口简单、性能/价格比高等特点。在4.1Kbps压缩率下，每片可保存8个多小时的语音数据。由于本系统是工作在5V电压下，而该芯片工作电压是2.7~3.6V，所以需要有5V到3V的电源变换系统，而且为了与主CPU相连接，需要有一个双向的总线缓冲系统，它将5V系统下的总线和3V系统下的总线互相转换。 4 单片机控制系统 单片机控制系统用于控制整个系统的运行，负责录/放音处理、键盘管理及其命令处理、屏幕显示、实时时钟的维护等。它由单片机、RAM、键盘、实时时钟、液晶显示、EPLD等组成。单片机采用台湾Winbond公司生产的W78E516芯片。该芯片与8052系列单片机兼容，但其内部ROM为64KB（FLASH）。在这64KB ROM中，除固化有程序外，还固化有大量的语音提示数据（用于远程电话查询）。实时时钟采用美国DALLAS公司的DS12887芯片。该芯片内部有可充电电池，在断电后保证时钟继续运行。EPLD负责整个系统的逻辑控制，采用的是美国Lattice公司的大规模逻辑电路ispLSI 1032。该芯片内部含有6000个逻辑门电路、64个I/O端口、192个寄存器等。显示器采用台湾达威的128×64图形点阵液晶。该液晶块的特点是它自身能产生负电压，这样就不需要专门为它配备一个负电源了。屏幕显示采用汉字菜单方式，简洁明了，便于使用。 5 电话接口 电话接口负责电话查询的检测和控制，由振铃检测、摘/挂机处理、DTMF码检测等电路组成。当远方的用户使用电话查询功能时，先呼叫连接到本数字录音机上的电话号码，电话铃响后，“振铃检测电路”检测振铃次数，在若干次振铃后，启动“摘/挂机处理电路”摘机，从而接通线路。摘机前的振铃次数由软件设定，可为0~7次（本模块也具有记忆功能，一旦振铃次数被设定，就保存下来）。线路接通后，就进入系统与远端用户的交互状态，系统将会提示用户输入口令、命令码及其它必需的信息。系统检测到相应的按键码（DTMF码）后，进行分析，并作出相应的应答回送用户。用户若想结束本次电话查询，只需按电话机上的“#”键或直接挂机即可。 二、 软件设计 软件系统由主控程序、DSP中断服务程序、时钟中断服务程序、录/放音处理程序、键盘处理程序、远程电话查询处理程序等组成。 主控程序：控制整个系统的运行。开机后，系统检测系统配置，初始化所有的工作单元，显示初始画面，然后就进入主循环。在主循环中维护时钟的更新、录/放音处理、键盘检测及其相应的命令处理以及远程电话查询的处理等，如图2所示。 图2系统软件流程图DSP中断服务程序：在录/放音时，DSP每隔33ms中断一次。中断服务程序负责从DSP中读取一帧数据到系统缓冲区（录音），或从系统缓冲区中读取一帧数据传送到DSP中（放音）。 时钟中断服务程序：DS12887每1s(秒)中断一次。中断服务程序从中读出当前时间并更新屏幕。 录/放音处理程序：监控“模拟信号处理模块”中的录音启动信号。当其有效时，启动“DSP压缩模块”进行录音，并把当前时间（起始时间）写入FLASH存储器中，然后连续不断地将录音缓冲区的数据写入FLASH存储器中（录音缓冲区中的数据由DSP中断服务程序负责更新）。当录音启动信号失效后，把当前时间（终止时间）写入FLASH存储器中，从而结束一段录音。放音时，先从FLASH存储器中读出通话段的起始、终止时间，并显示到屏幕上，然后从FLASH存储器中连续不断地读出需放音的语音数据到放音缓冲区中，让DSP中断服务程序进行处理（DSP放音中断服务程序每隔33ms就从放音缓冲区中读取一次数据，并将之送往DSP进行解压），放音的同时，还维护放音时间的照常运行。 键盘处理程序：扫描键盘，确定是否有键按下。若有键按下，则执行相应的命令处理程序，如：放音命令、监听通道、调整时间、显示器亮度调节、参数设置（屏幕保护时间、录音门槛、通道增益、振铃次数、自动增益等等）。 远程电话查询处理程序：检测振铃次数，接通线路（摘机），与远端用户的交互。 在软件设计时，考虑了可靠性设计。例如，当按下一个键进入某项子菜单后，如果在规定的时间内没有按键，则系统将返回到主画面;若要进行“系统参数设置”，则必须在1s内连续按2个键，再输入密码，密码正确才能设置。这样就杜绝了由于偶然按键而进入“系统参数设置”的可能性，从而保证了系统的安全可靠性。 本产品已于2000年7月通过了铁道部的技术鉴定和入网检测，现正处于推广应用之中。MES 参考文献 1D6571E Data Sheet.DSP Group Inc. 2FLASH Memory Data Book.SAMSUNG Electronics，1998 3Lattice Data Book.Lattice Semiconductor，1994 4杨占理.现代通信集成电路应用技术手册.北京：电子工业出版社，1995 5刘仁普.美国国家半导体公司通信电路手册.北京：机械工业出版社，1995

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来源:单片机与嵌入式系统应用 作者:北方交通大学 金良海 时间:2006/2/12 0:00:00