自動(dòng)語音記錄系統(tǒng)（AVRS）的SOPC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘  要：本文基于Altera公司的高性能Stratix器件，利用SOPC Builder、DSP Builder、Matlab和Simulink等軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種新型的自動(dòng)語音記錄系統(tǒng)（AVRS），實(shí)現(xiàn)了對多路電話的通話進(jìn)行同期監(jiān)控錄音，可廣泛應(yīng)用于需要經(jīng)常性語音記錄的部門。
關(guān)鍵詞：自動(dòng)語音記錄系統(tǒng)；SOPC；Nios；Stratix

1  引言
    目前各行業(yè)對電話進(jìn)行通話錄音變得越來越普遍，如政府機(jī)構(gòu)出于國家安全的原因需要在線錄音監(jiān)控；安全部門對一些重點(diǎn)監(jiān)控對象的往來通信需要錄音和實(shí)時(shí)監(jiān)聽；責(zé)任重大的政府部門及重要生產(chǎn)部門對有些重要指令需錄音；金融銀行或證券機(jī)構(gòu)及與大宗金錢有關(guān)的交易需要錄音；而一些商務(wù)、服務(wù)領(lǐng)域則把錄音資料作為語音記錄和提高服務(wù)質(zhì)量的一種手段。目前，各行業(yè)使用的電話語音記錄設(shè)備主要包括磁帶式電話語音記錄設(shè)備、基于PC機(jī)的電話語音記錄設(shè)備和基于FLASH芯片的電話語音記錄設(shè)備。這些電話語音記錄設(shè)備由于體積過大或記錄時(shí)間較短等缺點(diǎn)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)滿足不了某些用戶的特殊需求，因此亟需一種超大存儲容量、性能可靠和體積小巧的語音記錄設(shè)備。

    針對這種現(xiàn)狀，我們研制了一種新型的自動(dòng)語音記錄系統(tǒng)（AVRS），它可對多路電話的通話進(jìn)行同期監(jiān)控錄音，將通話內(nèi)容轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息，以語音文件形式存儲于硬盤上，并可通過電話檢索方式進(jìn)行查詢，查詢到的語音文件可通過電話直接播出。本系統(tǒng)采用FPGA及大容量的筆記本硬盤，集成度高、存儲信息大，信息可長期保存于硬盤中，文檔管理方便、保密性強(qiáng)。

2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

    自動(dòng)語音記錄系統(tǒng)（AVRS）的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它通常由PSTN、交換機(jī)、自動(dòng)語音記錄系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和電話機(jī)構(gòu)成。本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)語音記錄系統(tǒng)（AVRS）具有如下功能：
    （1）提供了高密度的解決方案，以分機(jī)并線方式可進(jìn)行多達(dá)4路到64路的通話錄音，支持ADPCM、G.711、G.729壓縮格式，可兼容世界主流交換機(jī)。
    （2）可以提供多通道通話全程實(shí)時(shí)錄音；提供多種錄音啟動(dòng)方式，如摘機(jī)控制、連接通話控制或聲音控制等；操作人員可在任何時(shí)間啟動(dòng)監(jiān)聽功能；實(shí)時(shí)監(jiān)聽對通話雙方及通話質(zhì)量沒有任何影響。
    （3）對于呼叫信息的記錄可以實(shí)現(xiàn)在錄制通話語音文件的同時(shí)同步記錄呼叫信息，提供完整的呼叫信息記錄，包括主叫號碼、被叫號碼、呼叫方向、通話時(shí)間和通話時(shí)長等。
    （4）可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理的功能，通過預(yù)留的電話遠(yuǎn)程撥入，在語音引導(dǎo)下可實(shí)時(shí)監(jiān)視所有通道的運(yùn)行狀態(tài)；可以按多種查詢條件（按通道、日期時(shí)間、主叫號碼、被叫號碼等）查詢或刪除錄音記錄；可以實(shí)現(xiàn)80,000多個(gè)通道小時(shí)的在線存儲量，錄音記錄除可存儲在自動(dòng)語音記錄系統(tǒng)（AVRS）中的硬盤上，還可通過設(shè)備上的USB口傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。

3  硬件設(shè)計(jì)
    自動(dòng)語音記錄系統(tǒng)由Stratix EP1S125、Nios軟核處理器、SDRAM、IDE接口筆記本硬盤、PCM編解碼電路、配置器件MAX7128S、LCD顯示模塊、鍵盤、時(shí)鐘電路、USB接口電路、電話線接口電路和電源等組成，電路原理框圖如圖2所示。

3.1  Stratix FPGA
    現(xiàn)代大容量、高速度的FPGA一般都內(nèi)嵌有可配置的高速RAM、PLL、LVDS以及硬件乘法累加器等DSP模塊，用FPGA來實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理可以很好地解決并行性和速度問題，而且其靈活的可配置特性，使得FPGA構(gòu)成的DSP系統(tǒng)非常易于修改、易于測試及硬件升級。

    Altera公司于2002年推出了新一代Stratix FPGA，它采用0.13微米和銅工藝制造，1.5V核心電壓，Stratix器件的DSP模塊提供了高于DSP處理器的數(shù)據(jù)處理能力，并且更為靈活和經(jīng)濟(jì)。每一Stratix DSP模塊可提供多達(dá)8個(gè)運(yùn)行在250MHz的并行乘法器，數(shù)據(jù)吞吐能力高達(dá)2GMACS。最大的Stratix器件EP1S125包括28個(gè)DSP模塊，可完成高達(dá)224個(gè)并行乘法操作，并提供56GMACS的總線數(shù)據(jù)吞吐能力，而傳統(tǒng)的DSP處理器最多僅可同時(shí)進(jìn)行8個(gè)并行乘法操作，數(shù)據(jù)吞吐量也只有8.8GMACS。除了DSP模塊中的專用乘法器以外，還可利用邏輯單元（LE）實(shí)現(xiàn)乘法器和DSP功能。例如，可在Stratix器件中利用大約9600個(gè)邏輯單元實(shí)現(xiàn)一個(gè)256階FIR濾波器。Stratix系列的EP1S120包括大約114,140個(gè)邏輯單元，可以容納11個(gè)這樣的濾波器。每一濾波器可運(yùn)行在200MHz，這意味著通過利用LE可提供563GMACS的器件總吞吐能力。結(jié)合DSP模塊提供的56GMACS數(shù)據(jù)吞吐能力，Stratix器件可提供高達(dá)620GMACS的數(shù)據(jù)總吞吐能力，因此Stratix器件適用于大數(shù)據(jù)量數(shù)字信號處理[1]。

    本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了Stratix EP1S125，利用它可完成對多通道通話全程實(shí)時(shí)監(jiān)測、錄音和存儲等功能。

3.2  Nios軟核處理器
    Nios軟核處理器是一種流水線技術(shù)、單指令流的32位RISC內(nèi)嵌處理器，其性能超過200 DMIPS。它針對Altera的可編程邏輯器件和片上可編程系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想做了相應(yīng)優(yōu)化。作為一種可配置的通用RISC處理器，它可以與用戶自定義邏輯結(jié)合構(gòu)成SOC系統(tǒng)，并下載到Altera的可編程器件中去。32位Nios軟核處理器結(jié)合外部閃存以及大容量存儲器，可構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大的32位嵌入式處理器系統(tǒng)，其大部分指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成。Nios軟核處理器家族包括32位和16位兩種版本的體系結(jié)構(gòu)。

3.3  PCM編解碼電路
    本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的PCM編解碼電路采用了IDT821064編解碼芯片，它提供了4個(gè)獨(dú)立模擬音頻通道，適合用于企業(yè)和運(yùn)營商級的網(wǎng)絡(luò)、無線網(wǎng)絡(luò)、接入網(wǎng)絡(luò)市場中的通信設(shè)備，具備完善的可編程性而無需外部組件，設(shè)計(jì)中根據(jù)所需要錄音的通道數(shù)可以通過增加相應(yīng)的IDT821064即可滿足要求。IDT821064可進(jìn)行阻抗匹配、音調(diào)生成、混合線圈平衡響應(yīng)修正和增益設(shè)定，可依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇適當(dāng)?shù)奈⑻幚砥鹘涌冢∕PI）或通用通信接口（GCI），它采用64腳的PQFP封裝[2]。

    設(shè)計(jì)中Nios軟核需要針對每個(gè)IDT821064提供GCI接口控制信號，考慮到控制指令一般只發(fā)送一兩次，沒有必要占用過多的資源，并且為了方便調(diào)試，選用了可以獨(dú)立操作的PIO，通過軟件對它們置位和復(fù)位來發(fā)送控制命令。

    圖3是GCI接口時(shí)序圖，DCL是數(shù)據(jù)時(shí)鐘信號，F(xiàn)SC是幀同步信號，DD/DU是數(shù)據(jù)輸出/輸入信號。根據(jù)此時(shí)序圖，我們可以編寫相關(guān)HDL代碼實(shí)現(xiàn)PCM串行數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

3.4  IDE硬盤的控制
    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。該模式采用了高速的數(shù)據(jù)塊I/O，以扇區(qū)為單位，用中斷請求方式與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位長度通過內(nèi)部的高速PIO數(shù)據(jù)寄存器實(shí)現(xiàn)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。

    如果CPU要對硬盤進(jìn)行寫數(shù)據(jù)操作，首先CPU把必要的參數(shù)寫入對應(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)動(dòng)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)中的數(shù)據(jù)寫入磁盤，當(dāng)寫盤結(jié)束，清除BSY位，發(fā)中斷請求信號INTRQ，CPU接收到中斷信號后，讀驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)寄存器，同時(shí)將中斷信號INTRQ清除。

    如果CPU要對硬盤進(jìn)行讀數(shù)據(jù)操作，首先將參數(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=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)中斷請求信號INTRQ。CPU檢測到中斷后，讀取狀態(tài)寄存器，測試ERR位，若等于1則轉(zhuǎn)入出錯(cuò)處理，否則若DRQ位為1，CPU從扇區(qū)緩沖區(qū)中讀取數(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[3]。

4  軟件設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)包括配置生成SOPC系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)的移植、語音壓縮算法的設(shè)計(jì)、應(yīng)用級代碼編寫及調(diào)試等部分。下面對其作簡單介紹。

4.1  配置生成SOPC系統(tǒng)
    SOPC是SoC技術(shù)和可編程邏輯技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)。首先它是SoC，即可以由單個(gè)芯片完成整個(gè)系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它還是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級，并具備一定的系統(tǒng)可編程功能。SOPC 設(shè)計(jì)技術(shù)涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的全部內(nèi)容，包括：以處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、以PCB和信號分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)、軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。

    本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)語音記錄系統(tǒng)（AVRS）是建立在以Stratix器件EP1S125基礎(chǔ)上的SOPC，在QuartusII中我們利用SOPC Builder工具來配置生成片上系統(tǒng)。SOPC Builder是一個(gè)功能強(qiáng)大的基于圖形界面的片上系統(tǒng)的定義和定制工具，可以在短時(shí)間內(nèi)完成用戶定制的SOPC設(shè)計(jì)。根據(jù)應(yīng)用的需要，從SOPC Builder庫中選擇IP模塊、存儲器、外圍接口和處理器，并且配置生成一個(gè)高集成度的嵌入式系統(tǒng)。

    在配置生成片上系統(tǒng)時(shí)，SOPC Builder會自動(dòng)產(chǎn)生一些必需的仲裁邏輯來協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)部件的工作。我們首先將系統(tǒng)的工作頻率設(shè)為50MHz，根據(jù)系統(tǒng)的硬件要求可以得到如圖4所示的系統(tǒng)配置圖，利用SOPC Builder編譯生成包括C/C++語言頭文件、外圍接口驅(qū)動(dòng)的諸多文件，極大地方便了后續(xù)應(yīng)用軟件的開發(fā)。

4.2  μC/OS-II操作系統(tǒng)移植
    μC/OS-II是一種源代碼公開、結(jié)構(gòu)小巧、具有可剝奪實(shí)時(shí)內(nèi)核的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。其內(nèi)核提供任務(wù)調(diào)度與管理、時(shí)間管理、任務(wù)間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務(wù)等功能。μC/OS-II適合于小型控制系統(tǒng)，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實(shí)時(shí)性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，加之它穩(wěn)定、可靠，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用在航空、醫(yī)療器械、工業(yè)控制等領(lǐng)域[4]。

     μC/OS-II設(shè)計(jì)時(shí)就充分考慮到在不同平臺上移值的需求，將同平臺相關(guān)的部分局限在一個(gè)很小范圍內(nèi)，對于不同的平臺只需對下面一些函數(shù)和宏進(jìn)行重寫。

    OS_ENTER_CRITICAL和OS_ENTER_CRITICAL：這是兩個(gè)宏，用來進(jìn)行臨界段保護(hù)。在本設(shè)計(jì)中使用匯編代碼關(guān)中斷來實(shí)現(xiàn)。

OS_TASK_SW：這是一個(gè)用于進(jìn)行任務(wù)切換的宏。本設(shè)計(jì)中利用CPU的軟件中斷方式
實(shí)現(xiàn)，也就是說調(diào)用此宏產(chǎn)生軟件中斷，然后由相應(yīng)的中斷處理程序來具體實(shí)現(xiàn)任務(wù)上下文保護(hù)和任務(wù)切換。
OSIntCtxSw：實(shí)現(xiàn)中斷級任務(wù)切換，用純匯編實(shí)現(xiàn)。
OSCtxSw：實(shí)現(xiàn)用戶級上下文切換，用純匯編實(shí)現(xiàn)。
OSTickISR：為系統(tǒng)定時(shí)器中斷的處理函數(shù)，用純匯編實(shí)現(xiàn)。
OSTaskStkInit：用來創(chuàng)建任務(wù)時(shí)，對任務(wù)堆棧進(jìn)行初始化。

4.3  語音壓縮算法的設(shè)計(jì)
    語音壓縮算法的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基于DSP Builder、Matlab和Simulink等工具。DSP Builder是Altera公司推出的一個(gè)面向DSP開發(fā)的系統(tǒng)級工具。它是作為Matlab的一個(gè)Simulink工具箱出現(xiàn)的。Matlab是功能強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析工具，廣泛用于科學(xué)計(jì)算和工程計(jì)算，可以進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的建模、參數(shù)估計(jì)、性能分析。Simulink是Matlab的一個(gè)組成部分，用于圖形化建模仿真。

    我們在設(shè)計(jì)中首先利用Matlab強(qiáng)大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析能力和DSP Builder提供的模塊（或IP核）完成頂層系統(tǒng)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)仿真測試，實(shí)現(xiàn)了ADPCM、G.729壓縮算法，并驗(yàn)證了語音壓縮算法的正確性，然后通過DSP Builder中的Signal Compiler將Simulink模型文件自動(dòng)轉(zhuǎn)換成VHDL的RTL表述和工具命令語言（TCL）腳本，再進(jìn)行RTL級的功能仿真，并配合QuartusⅡ軟件進(jìn)行綜合、適配與時(shí)序仿真。

4.4  應(yīng)用級代碼編寫及調(diào)試
    在QuartusⅡ中進(jìn)行VHDL代碼的編寫以實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)各部分的控制，最后進(jìn)行RTL級的功能仿真，并進(jìn)行綜合、適配與時(shí)序仿真。在形成對指定FPGA進(jìn)行編程配置的SOF文件之前可以將設(shè)定好的嵌入式邏輯分析儀Signal TapⅡ一同適配并下載到FPGA芯片中去，然后通過Matlab的Simulink窗口可觀測到通過JTAG口來自于Signal TapⅡ測得的芯片中DSP硬件模塊的實(shí)時(shí)工作波形，從而實(shí)現(xiàn)硬件仿真和調(diào)試。

5  結(jié)束語
    本文所設(shè)計(jì)的自動(dòng)語音記錄系統(tǒng)（AVRS）最突出的特點(diǎn)是采用FPGA和SOPC技術(shù)進(jìn)行的設(shè)計(jì)相當(dāng)快速。由于SOPC開發(fā)環(huán)境的完備功能，可以把注意力集中在系統(tǒng)整體構(gòu)架和功能上來，而無需過多的考慮細(xì)節(jié)性的電路設(shè)計(jì)，同時(shí)還可以得到比較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

    自動(dòng)語音記錄系統(tǒng)（AVRS）已經(jīng)進(jìn)行了初步的仿真試驗(yàn)，能夠達(dá)到非常好的實(shí)用效果，可滿足金融、保險(xiǎn)、電力、