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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(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)。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音記錄儀，而目前國(guó)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(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、性能可靠的語音記錄儀。
本文提出了采用單片機(jī)控制硬盤對(duì)語音數(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(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(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(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。
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-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(huì)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(huì)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(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(chǔ)。
圖2 DK23AA-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(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1 IDE硬盤驅(qū)動(dòng)器中的寄存器及地址分配
表02 狀態(tài)寄存器
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