《電子技術(shù)應(yīng)用》
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固態(tài)數(shù)字語(yǔ)音記錄儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2009-07-27
作者:李鵬懷 戴禮榮 王仁華

  摘 要: 介紹一種固態(tài)數(shù)字語(yǔ)音記錄儀的實(shí)現(xiàn)方案。它主要由DSP最小系統(tǒng)、液晶顯示模塊、串行通信接口、鍵盤電路和片外閃爍存儲(chǔ)器電路構(gòu)成。實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音信息的采集與播放,并且能夠和筆記本電腦通過RS232串行口進(jìn)行通信。
  關(guān)鍵詞: 閃爍存儲(chǔ)器 DSP RS232 DS12887 G.723.1

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  數(shù)字處理系統(tǒng)由于其可靠性高、可編程性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)而廣泛地應(yīng)用于通信、航天制導(dǎo)、儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域。此外,隨著DSP芯片處理速度的顯著提高,DSP正在數(shù)字電話、可視電話、多媒體通信中發(fā)揮著舉足輕重的作用。下文描述以AD公司生產(chǎn)的ADSP-2181為核心構(gòu)成的固態(tài)語(yǔ)音記錄儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),用來對(duì)電話線路上的語(yǔ)音信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集與處理,主要應(yīng)用于自動(dòng)監(jiān)控領(lǐng)域,如監(jiān)測(cè)鐵路通信等。
  以往,廣泛采用磁帶作為存儲(chǔ)介質(zhì)的語(yǔ)音記錄設(shè)備,它雖然也能完成相關(guān)功能,但是存在抗震性能差、工作不穩(wěn)定、定位困難等缺點(diǎn)。因此,固態(tài)數(shù)字語(yǔ)音儀采用了高性能的閃爍存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)介質(zhì)。另外,為了解決語(yǔ)音數(shù)據(jù)量大從而占用空間大的問題,采用了高速的數(shù)字信息處理(DSP)手段對(duì)其進(jìn)行編碼壓縮,大大減少了存儲(chǔ)量。概括之,固態(tài)數(shù)字語(yǔ)音儀具備以下優(yōu)點(diǎn):
  ·性能價(jià)格比高,采用了先進(jìn)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)的軟件壓縮算法,存儲(chǔ)數(shù)據(jù)需要的空間小。
  ·工作穩(wěn)定,實(shí)用性好,無(wú)機(jī)械磨損。而且文件讀取時(shí)定位方便。
  ·抗震性能強(qiáng),數(shù)字語(yǔ)音記錄設(shè)備全部采用集成電路,無(wú)機(jī)械部件,完全不受震動(dòng)的影響,對(duì)環(huán)境溫度、濕度適應(yīng)能力強(qiáng)。
  該數(shù)字語(yǔ)音記錄儀能實(shí)時(shí)壓縮較長(zhǎng)時(shí)間的聲音信號(hào)。顯示當(dāng)前時(shí)間和記錄語(yǔ)音的時(shí)間,通過鍵盤的按鍵信號(hào)來控制選擇錄音、放音。
1 語(yǔ)音記錄儀硬件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)
1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)


  該記錄儀系統(tǒng)的組成如圖1所示,由以下五個(gè)部分構(gòu)成:
  (1)DSP最小系統(tǒng)
  它是該系統(tǒng)的核心部分,由一片DSP芯片ADSP-2181和一片EPROM組成。ADSP-2181是Analog Device公司生產(chǎn)的一種性能優(yōu)越的單片機(jī),適合于高速的數(shù)字信號(hào)處理。其特點(diǎn)如下:
  ·外接16.67MHz晶振,指令周期為30ns,33MIPS運(yùn)算速度,所有指令單周期執(zhí)行;
  ·提供Power Down低功耗方式;
  ·提供一個(gè)16位的DMA(IDMA)口,用于高速存取片內(nèi)存儲(chǔ)器;
  ·提供一個(gè)8位自舉DMA(BDMA)口,用于從自舉程序存儲(chǔ)器中裝載數(shù)據(jù)和程序;
  ·程序RAM24BITX16K,數(shù)據(jù)RAM 16BITX16K;
  ·16位字長(zhǎng)運(yùn)算精度;
  ·提供兩個(gè)雙緩沖區(qū)的串口,具有硬件A/μ律編解碼和自動(dòng)緩沖(Autobuff)能力;
  ·提供六個(gè)外部中斷、13個(gè)可編程I/O引腳和JTAG仿真引腳。
  模擬的語(yǔ)音信號(hào)通過TP3057的A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號(hào)送入ADSP-2181(采樣率8kHz)。TP3057是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的A律編/解碼器,它包含一個(gè)利用A/D和D/A轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的A律脈沖編碼調(diào)制的編解碼器/濾波器單片電路和一個(gè)串行PCM接口。其中編碼部分還包含一個(gè)可調(diào)輸入增益的放大器、一個(gè)有源RC前置濾波器、自動(dòng)調(diào)零電路、一個(gè)A率壓縮編碼器。解碼部分包括一個(gè)A律解碼器和截止頻率為3400Hz的低通濾波器。前者從A律壓擴(kuò)的信號(hào)中重建模擬信號(hào),后者校正譯碼器的輸出的sinx/x響應(yīng)并濾除高頻信號(hào)。由于語(yǔ)音數(shù)據(jù)量很大,因此需要對(duì)它進(jìn)行編碼壓縮,這里采用ITU-T的G.723.1語(yǔ)音編碼協(xié)議,由ADSP-2181完成。編碼后的數(shù)據(jù)加入時(shí)間頭后存入外擴(kuò)存儲(chǔ)器——即閃爍存儲(chǔ)器中。
  (2)顯示模塊
  采用的是小型液晶顯示器,共四行,每行顯示20個(gè)字符。分別顯示當(dāng)前時(shí)間、工作狀態(tài)(錄音、監(jiān)聽、放音和循環(huán)放音)、放音搜索時(shí)間和當(dāng)前播放時(shí)間。要顯示的數(shù)據(jù)由ADSP-2181寫入顯示模塊的內(nèi)部RAM之中。
  (3) 按鍵信號(hào)接收電路
  一共可以接收24種按鍵信息。鍵盤電路以串行方式工作。每按下一個(gè)鍵,則在相應(yīng)的時(shí)間段,輸出腳出現(xiàn)一個(gè)低電平脈沖,根據(jù)該脈沖出現(xiàn)的位置,就可以判斷出哪一個(gè)鍵被按下。它正常工作需要的時(shí)鐘信號(hào)由ADSP2181提供。系統(tǒng)根據(jù)鍵盤信息進(jìn)行功能控制:如放音、監(jiān)聽、長(zhǎng)期保存和轉(zhuǎn)存等等。
  (4) 時(shí)鐘電路
  采用美國(guó)DALLAS公司推出的數(shù)字時(shí)鐘芯片DS12887和ADSP-2181相連,在電路通電時(shí)其內(nèi)部電路可以自動(dòng)對(duì)可充電電池充電,充足一次電可使芯片時(shí)鐘運(yùn)行半年之久。而且使用時(shí)無(wú)須外圍電路元件,只要選擇引腳MOT電平,即可方便地與不同計(jì)算機(jī)總線連接。它的主要技術(shù)特色:
  ·具有完備的時(shí)鐘、鬧鐘及2000年的日歷功能;
  ·具有可編程選擇的周期性中斷方式和多頻率輸出的方波發(fā)生器功能;
  ·內(nèi)部有14個(gè)時(shí)鐘控制器,10個(gè)時(shí)標(biāo)寄存器,4個(gè)狀態(tài)寄存器;
  ·時(shí)標(biāo)可選擇二進(jìn)制或BCD碼表示;
  ·工作電壓:+4.5~5.5V
  ·工作電流:7~15mA;
  ·工作溫度范圍:0~70°C
  它的8位數(shù)據(jù)總線和ADSP-2181的數(shù)據(jù)總線相連,讀、寫信號(hào)由ADSP-2181提供。
  (5)閃爍存儲(chǔ)器
  FLASH MEMORY是一個(gè)非易失性固態(tài)存儲(chǔ)器。它在擦或?qū)憰r(shí)只要5V的工作電壓,而且斷電以后數(shù)據(jù)不丟失。在本系統(tǒng)中,它工作所需要的時(shí)序信號(hào)由ADSP-2181提供。這種存儲(chǔ)器的特點(diǎn)是在寫之前要以塊為單位執(zhí)行擦除命令,即:使所有字節(jié)均變?yōu)?xff然后再寫入數(shù)據(jù)。考慮到編碼后的語(yǔ)音數(shù)據(jù)是以word為單位的,而存儲(chǔ)器芯片本身是以byte為單位,因此設(shè)計(jì)時(shí)使一片芯片對(duì)應(yīng)一個(gè)16bit的高八位,另一片對(duì)應(yīng)低八位。
  該記錄儀系統(tǒng)還自帶有RS232接口,用于與筆記本電腦的通信,接收筆記本電腦發(fā)出的讀索引信息命令、讀參數(shù)命令、數(shù)據(jù)刪除命令以及校表命令等等,并通過該串行口向筆記本電腦傳送數(shù)據(jù)。出于數(shù)據(jù)安全保密要求考慮,該記錄儀可以加鎖。也就是說只有在開鎖狀態(tài)下,才能執(zhí)行校表、查看系統(tǒng)參數(shù)等一些重要操作。語(yǔ)音數(shù)據(jù)的記錄可以循環(huán)進(jìn)行,連續(xù)不間斷工作。
1.2 ITU-T G.723.1雙速率語(yǔ)音編解碼器的主要指標(biāo)
  碼流速率:5.27Kbps/6.3Kbps;
  時(shí)延:最大60ms;
  幀邊界速率轉(zhuǎn)換;
  話音活動(dòng)檢測(cè)(Voice Activity Detection);
  舒適噪音產(chǎn)生(Comfortable Noise Generator)。
2 語(yǔ)音記錄儀軟件設(shè)計(jì)及其實(shí)現(xiàn)
  數(shù)據(jù)流程如圖2所示。


  程序結(jié)構(gòu)中下。
2.1 中斷服務(wù)程序
  ·時(shí)鐘讀取服務(wù)程序:使用IRQE中斷,由DS12887的端產(chǎn)生,中斷間隔500ms。程序如下:

   
  ·語(yǔ)音采樣服務(wù)程序:使用Sport0接收中斷,中斷間隔為125μs(對(duì)應(yīng)8kHz采樣率)。程序如下:

   
2.2 主程序
  主程序處于循環(huán)工作狀態(tài),執(zhí)行一個(gè)主循環(huán)約需要20ms時(shí)間。流程如圖3所示。


  開機(jī)以后,系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)閃爍存儲(chǔ)器的容量(不同型號(hào)的記錄儀分別對(duì)應(yīng)2、4、6、8片閃爍存儲(chǔ)器芯片DA28F640J5),根據(jù)它設(shè)定錄音區(qū)的起始和結(jié)束地址。存儲(chǔ)區(qū)分為長(zhǎng)期語(yǔ)音保存區(qū)和循環(huán)錄音區(qū),長(zhǎng)期語(yǔ)音保存區(qū)保存重要的語(yǔ)音信息,不被覆蓋。循環(huán)錄音區(qū)可以記錄的時(shí)間長(zhǎng)短與閃爍存儲(chǔ)器的容量有關(guān),例如2片型號(hào)為DA28F640J5的64Mbits的閃爍存儲(chǔ)器可以存儲(chǔ)6個(gè)小時(shí)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)。由于在按幀存儲(chǔ)語(yǔ)音的時(shí)候加入了時(shí)間頭信息,因此記錄儀可以根據(jù)時(shí)間信息進(jìn)行搜索定位,迅速找到對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)塊的位置并且順序播放。另外還可以由用戶指定任意播放的起點(diǎn)和終點(diǎn)進(jìn)行循環(huán)播放直到按下“停止”鍵為止。
2.3 語(yǔ)音數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存及處理軟件系統(tǒng)
  主機(jī)程序采用Visual C++編寫,通過串行口與記錄儀通信。目標(biāo)是將記錄儀中的話音數(shù)據(jù)傳送到筆記本電腦上。記錄儀到筆記本電腦的轉(zhuǎn)存主要實(shí)現(xiàn)讀系統(tǒng)參數(shù)、讀索引信息、讀語(yǔ)音數(shù)據(jù)塊以及寫入16字節(jié)的機(jī)器編碼等功能。有關(guān)功能項(xiàng)目主要是索引的分析、顯示、選擇和根據(jù)時(shí)間進(jìn)行語(yǔ)音數(shù)據(jù)塊的定位。串行口傳輸波特率為115.2Kbps。筆記本電腦可以提取、編輯設(shè)置記錄儀的16字節(jié)編碼。
  本文介紹的固態(tài)數(shù)字語(yǔ)音記錄儀,由于采用了高速DSP技術(shù),能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)包括G.723.1在內(nèi)的大部分低速率語(yǔ)音編解碼算法,降低了數(shù)據(jù)量,節(jié)約了生產(chǎn)成本。當(dāng)采用不同的語(yǔ)音編解碼算法時(shí),只要更換編系統(tǒng)中的EPROM芯片,而不需做任何其它的硬件上的改動(dòng)。此外,根據(jù)用戶的需要,可增加或更換不同的功能模塊。如可增加電話接口模塊及語(yǔ)音處理模塊以提高記錄的語(yǔ)音的通道數(shù)。系統(tǒng)還可以通過串行口與筆記本電腦進(jìn)行通信。因此。該記錄儀具有很高的靈活性,且具備良好的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
參考文獻(xiàn)
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4 戴禮榮,李鵬懷,王仁華,宋 彥,李錦宇.可編程低比特率語(yǔ)音編解碼器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn). 1999第九屆全國(guó)信號(hào)處理學(xué)術(shù)年會(huì)(CCSP’99)論文集

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