摘 要： 介紹一種固態數字語音記錄儀的實現方案。它主要由DSP最小系統、液晶顯示模塊、串行通信接口、鍵盤電路和片外閃爍存儲器電路構成。實現語音信息的采集與播放，并且能夠和筆記本電腦通過RS232串行口進行通信。
關鍵詞： 閃爍存儲器 DSP RS232 DS12887 G.723.1
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數字處理系統由于其可靠性高、可編程性強等優勢而廣泛地應用于通信、航天制導、儀器儀表等各個領域。此外，隨著DSP芯片處理速度的顯著提高，DSP正在數字電話、可視電話、多媒體通信中發揮著舉足輕重的作用。下文描述以AD公司生產的ADSP－2181為核心構成的固態語音記錄儀的設計與實現，用來對電話線路上的語音信號進行實時采集與處理，主要應用于自動監控領域，如監測鐵路通信等。
以往，廣泛采用磁帶作為存儲介質的語音記錄設備，它雖然也能完成相關功能，但是存在抗震性能差、工作不穩定、定位困難等缺點。因此，固態數字語音儀采用了高性能的閃爍存儲器作為存儲介質。另外，為了解決語音數據量大從而占用空間大的問題，采用了高速的數字信息處理(DSP)手段對其進行編碼壓縮，大大減少了存儲量。概括之，固態數字語音儀具備以下優點：
·性能價格比高，采用了先進的語音數據的軟件壓縮算法，存儲數據需要的空間小。
·工作穩定，實用性好，無機械磨損。而且文件讀取時定位方便。
·抗震性能強，數字語音記錄設備全部采用集成電路，無機械部件，完全不受震動的影響，對環境溫度、濕度適應能力強。
該數字語音記錄儀能實時壓縮較長時間的聲音信號。顯示當前時間和記錄語音的時間，通過鍵盤的按鍵信號來控制選擇錄音、放音。
1 語音記錄儀硬件設計及其實現
1.1 系統結構
該記錄儀系統的組成如圖1所示，由以下五個部分構成：
(1)DSP最小系統
它是該系統的核心部分，由一片DSP芯片ADSP－2181和一片EPROM組成。ADSP－2181是Analog Device公司生產的一種性能優越的單片機，適合于高速的數字信號處理。其特點如下：
·外接16.67MHz晶振，指令周期為30ns，33MIPS運算速度，所有指令單周期執行；
·提供Power Down低功耗方式；
·提供一個16位的DMA(IDMA)口，用于高速存取片內存儲器；
·提供一個8位自舉DMA(BDMA)口，用于從自舉程序存儲器中裝載數據和程序；
·程序RAM24BITX16K，數據RAM 16BITX16K；
·16位字長運算精度；
·提供兩個雙緩沖區的串口，具有硬件A/μ律編解碼和自動緩沖(Autobuff)能力；
·提供六個外部中斷、13個可編程I/O引腳和JTAG仿真引腳。
模擬的語音信號通過TP3057的A/D轉換變為數字信號送入ADSP－2181(采樣率8kHz)。TP3057是美國國家半導體公司生產的A律編/解碼器，它包含一個利用A/D和D/A轉換結構的A律脈沖編碼調制的編解碼器/濾波器單片電路和一個串行PCM接口。其中編碼部分還包含一個可調輸入增益的放大器、一個有源RC前置濾波器、自動調零電路、一個A率壓縮編碼器。解碼部分包括一個A律解碼器和截止頻率為3400Hz的低通濾波器。前者從A律壓擴的信號中重建模擬信號，后者校正譯碼器的輸出的sinx/x響應并濾除高頻信號。由于語音數據量很大，因此需要對它進行編碼壓縮，這里采用ITU－T的G.723.1語音編碼協議，由ADSP－2181完成。編碼后的數據加入時間頭后存入外擴存儲器——即閃爍存儲器中。
(2)顯示模塊
采用的是小型液晶顯示器，共四行，每行顯示20個字符。分別顯示當前時間、工作狀態(錄音、監聽、放音和循環放音)、放音搜索時間和當前播放時間。要顯示的數據由ADSP－2181寫入顯示模塊的內部RAM之中。
(3) 按鍵信號接收電路
一共可以接收24種按鍵信息。鍵盤電路以串行方式工作。每按下一個鍵，則在相應的時間段，輸出腳出現一個低電平脈沖，根據該脈沖出現的位置，就可以判斷出哪一個鍵被按下。它正常工作需要的時鐘信號由ADSP2181提供。系統根據鍵盤信息進行功能控制：如放音、監聽、長期保存和轉存等等。
(4) 時鐘電路
采用美國DALLAS公司推出的數字時鐘芯片DS12887和ADSP－2181相連，在電路通電時其內部電路可以自動對可充電電池充電，充足一次電可使芯片時鐘運行半年之久。而且使用時無須外圍電路元件，只要選擇引腳MOT電平，即可方便地與不同計算機總線連接。它的主要技術特色：
·具有完備的時鐘、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生器功能；
·內部有14個時鐘控制器，10個時標寄存器，4個狀態寄存器；
·時標可選擇二進制或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位數據總線和ADSP－2181的數據總線相連，讀、寫信號由ADSP－2181提供。
(5)閃爍存儲器
FLASH MEMORY是一個非易失性固態存儲器。它在擦或寫時只要5V的工作電壓，而且斷電以后數據不丟失。在本系統中，它工作所需要的時序信號由ADSP－2181提供。這種存儲器的特點是在寫之前要以塊為單位執行擦除命令，即：使所有字節均變為0xff然后再寫入數據。考慮到編碼后的語音數據是以word為單位的，而存儲器芯片本身是以byte為單位，因此設計時使一片芯片對應一個16bit的高八位，另一片對應低八位。
該記錄儀系統還自帶有RS232接口，用于與筆記本電腦的通信，接收筆記本電腦發出的讀索引信息命令、讀參數命令、數據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據。出于數據安全保密要求考慮，該記錄儀可以加鎖。也就是說只有在開鎖狀態下，才能執行校表、查看系統參數等一些重要操作。語音數據的記錄可以循環進行，連續不間斷工作。
1.2 ITU－T G.723.1雙速率語音編解碼器的主要指標
碼流速率：5.27Kbps/6.3Kbps;
時延：最大60ms;
幀邊界速率轉換；
話音活動檢測(Voice Activity Detection)；
舒適噪音產生(Comfortable Noise Generator)。
2 語音記錄儀軟件設計及其實現
數據流程如圖2所示。
程序結構中下。
2.1 中斷服務程序
·時鐘讀取服務程序：使用IRQE中斷，由DS12887的
端產生，中斷間隔500ms。程序如下：
·語音采樣服務程序：使用Sport0接收中斷，中斷間隔為125μs(對應8kHz采樣率)。程序如下：
2.2 主程序
主程序處于循環工作狀態，執行一個主循環約需要20ms時間。流程如圖3所示。
開機以后，系統自動檢測閃爍存儲器的容量(不同型號的記錄儀分別對應2、4、6、8片閃爍存儲器芯片DA28F640J5)，根據它設定錄音區的起始和結束地址。存儲區分為長期語音保存區和循環錄音區，長期語音保存區保存重要的語音信息，不被覆蓋。循環錄音區可以記錄的時間長短與閃爍存儲器的容量有關，例如2片型號為DA28F640J5的64Mbits的閃爍存儲器可以存儲6個小時的語音數據。由于在按幀存儲語音的時候加入了時間頭信息，因此記錄儀可以根據時間信息進行搜索定位，迅速找到對應的語音數據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和終點進行循環播放直到按下“停止”鍵為止。
2.3 語音數據轉存及處理軟件系統
主機程序采用Visual C++編寫，通過串行口與記錄儀通信。目標是將記錄儀中的話音數據傳送到筆記本電腦上。記錄儀到筆記本電腦的轉存主要實現讀系統參數、讀索引信息、讀語音數據塊以及寫入16字節的機器編碼等功能。有關功能項目主要是索引的分析、顯示、選擇和根據時間進行語音數據塊的定位。串行口傳輸波特率為115.2Kbps。筆記本電腦可以提取、編輯設置記錄儀的16字節編碼。
本文介紹的固態數字語音記錄儀，由于采用了高速DSP技術，能夠實時實現包括G.723.1在內的大部分低速率語音編解碼算法，降低了數據量，節約了生產成本。當采用不同的語音編解碼算法時，只要更換編系統中的EPROM芯片，而不需做任何其它的硬件上的改動。此外，根據用戶的需要，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音處理模塊以提高記錄的語音的通道數。系統還可以通過串行口與筆記本電腦進行通信。因此。該記錄儀具有很高的靈活性，且具備良好的市場競爭能力。
參考文獻
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