基于USB主機結(jié)構(gòu)的數(shù)字錄音技術(shù)研究

介紹了一種基于USB主機結(jié)構(gòu)的數(shù)字錄音系統(tǒng)，提出了一種將大容量數(shù)據(jù)存儲技術(shù)應(yīng)用于數(shù)字錄音系統(tǒng)的新方法，重點介紹了語音PCM編碼電路和USB-HOST接口電路的硬件設(shè)計、由底向上的USB主機軟件設(shè)計框架以及實時語音文件的存儲。

隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，錄音技術(shù)也進入了數(shù)字化階段。目前數(shù)字錄音系統(tǒng)應(yīng)用已非常廣泛，如電力、鐵路、石油等行業(yè)的指揮調(diào)度，機場、港口、公安、軍事等要害部門的錄音和監(jiān)聽，金融行業(yè)授權(quán)指令的實時錄音，無線尋呼臺、電信局、服務(wù)行業(yè)的服務(wù)等。數(shù)字錄音系統(tǒng)為及時了解和發(fā)現(xiàn)事故原因以及提供準確可靠的原始錄音記錄發(fā)揮了巨大作用。

目前，很多數(shù)字錄音系統(tǒng)是基于PC實現(xiàn)的。語音數(shù)據(jù)采集后通過串口實時傳送到PC進行數(shù)字語音的存儲，再由PC對數(shù)字語音數(shù)據(jù)進行后期處理。但是在很多應(yīng)用場合(如移動裝置、野外作業(yè)、竊聽等)，由于受布線、成本、安裝空間及環(huán)境等影響，基于PC的數(shù)字錄音方案受到限制。這些應(yīng)用場合下，如何實現(xiàn)語音數(shù)據(jù)的存儲就成為關(guān)鍵。

方案一是采用無線傳輸。實時將采集到的語音數(shù)據(jù)傳送。但是由于受無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x、速度以及實現(xiàn)成本的限制，這種方案的可行性不高；

方案二是采用可移動的存儲體。目前應(yīng)用較廣的有CF、SD等存儲卡和基于USB接口的移動存儲設(shè)備。從單位字節(jié)存儲成本考慮，存儲卡的成本明顯高于基于USB接口的移動存儲設(shè)備。

另外，PC與存儲卡進行數(shù)據(jù)交換時必須購買相應(yīng)的讀卡器，這意味著要增加額外的成本且使用不靈活。隨著USB技術(shù)的發(fā)展與不斷成熟，目前幾乎所有PC主板都帶有多個USB接口，且操作系統(tǒng)對USB設(shè)備的支持也非常完備。這樣數(shù)字語音數(shù)據(jù)可與任意PC進行數(shù)據(jù)交換，從而使應(yīng)用變得非常方便和靈活。因此，研究嵌入式環(huán)境下基于USB主機結(jié)構(gòu)的數(shù)字錄音技術(shù)就具有實際意義和應(yīng)用前景。

1 數(shù)字錄音系統(tǒng)的設(shè)計和工作原理

整個錄音系統(tǒng)主要由兩大部分組成。一是語音數(shù)據(jù)的PCM編碼電路，實現(xiàn)語音的AD轉(zhuǎn)換；二是USB主機的接口電路。單片機P89C51RD2HBA實現(xiàn)USB-HOST主機協(xié)議和語音數(shù)據(jù)的采集功能，系統(tǒng)原理如圖l所示。

2 語音編解碼電路設(shè)計

2.1 MCl4LC5480芯片簡介

語音的PCM編碼是將模擬語音信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字語音信號。它是語音數(shù)字化的第一步，也是語音壓縮的基礎(chǔ)。MCl4LC5480是Motorola公司生產(chǎn)的μ/A律PCM芯片，具有以下特點：低功耗；低噪聲的全差分模擬電路設(shè)計；片內(nèi)集成有發(fā)送帶通濾波器和接收低通濾波器；具有RC預(yù)濾波器后濾波器；μ/A律可選擇。MCl4LC5480的原理如圖2所示。

圖2中，RO+、RO-和TI+、TI-分別是PCM模擬語音信號的差分輸出和輸入；PI、PO+、PO-用來放大模擬信號以驅(qū)動模擬語音設(shè)備；同步控制部分主要用于控制幀同步和位同步，控制引腳主要用于μ/A律的選擇和低功耗模式的選擇。

2.2 語音編解碼應(yīng)用電路設(shè)計

基于MCl4LC5480的語音編解碼應(yīng)用電路如圖3所示。其中輸入的8kHz時鐘源用于幀同步，2.048MHz的時鐘源用于位同步。PCM輸出即為編碼后的串行輸出數(shù)據(jù)，再經(jīng)過SN74HC595轉(zhuǎn)換為并行數(shù)據(jù)與單片機的8位數(shù)據(jù)總線連接；PCM輸入則為串行輸入的數(shù)字語音數(shù)據(jù)。在圖3中，8kHz、2.048MHz時鐘源可用Motorola公司的MC74HC4060產(chǎn)生。具體實現(xiàn)如圖4所示。

3 USB主機接口電路設(shè)計

3.1 USB-HOST接口芯片SL811HS簡介

SL811HS是Cypress公司推出的一種遵從USB1.1協(xié)議的嵌入式USB Host／Slave芯片。該芯片既能與USB低速設(shè)備通信，也能與USB高速設(shè)備通信。由于提供了8位寬的數(shù)據(jù)總線及中斷支持，使得該芯片能方便地與微處理器、微控制器以及DSP連接。SL811HS可以在Host／Slave兩種模式下工作。該芯片具有以下特點：

(1)自動探測所接設(shè)備是低速設(shè)備還是高速設(shè)備；

(2)具有8位雙向數(shù)據(jù)總線及片上SIE、USB收發(fā)器；

(3)自動產(chǎn)生SOF令牌包及自動生成令牌包、數(shù)據(jù)包中所需要的CRCS／CRCl6數(shù)據(jù)；

(4)內(nèi)部256B RAM，支持乒乓操作；

(5)支持SUSPEND／RESUME、WAKE UP、LDW-POW-ER模式。

3．2 USB-HOST接口電路設(shè)計

SL811HS的接口電路原理如圖5所示。

由于系統(tǒng)只需要具有USB主機的功能，因此只需將控制SL811HS為主機或從機工作方式的M／S管腳接地。SL811HS的地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線AD[7：0]與單片機P89C51RD2HBA的P0口連接。其中SL811HS的A0功能較為靈活。AO=0時表示數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)是SL811HS的RAM空間的地址指針；A0=1時則讀寫指定地址的RAM數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

而且它支持地址自增模式，即可讀寫連續(xù)地址單元中的數(shù)據(jù)，而不需要多次寫入地址，從而大大提高傳輸速度。為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性，VDD引腳的去耦電容采用103電容。并且在設(shè)計PCB時DATA+和DATA-的走線盡量短，整個PEB板做覆銅處理。

4 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

4．1 USB主機對設(shè)備的枚舉軟件框架設(shè)計

枚舉是任何USB設(shè)備使用前必經(jīng)的過程，因此枚舉作為整個USB通信的前提顯得非常關(guān)鍵。下面依照自底向上的軟件設(shè)計方法實現(xiàn)USB主機對設(shè)備的枚舉。整個USB主機系統(tǒng)的實現(xiàn)也是按照層次由底向上的設(shè)計思路，這樣便于系統(tǒng)移植。

(1)MCU與sL811HST的底層通信。這是整個USBHost模塊的基礎(chǔ)，它主要包括對SL8llHS字節(jié)的讀／寫和字節(jié)串的讀／寫等函數(shù)。

(2)USB最底層數(shù)據(jù)包發(fā)送的實現(xiàn)。這是一個發(fā)送數(shù)據(jù)包的函數(shù)，參數(shù)包括發(fā)送的數(shù)據(jù)包類型、端點地址、端點負載、傳輸長度和數(shù)據(jù)緩存區(qū)地址指針。

(3)控制傳輸和USB協(xié)議棧標準請求命令的實現(xiàn)?？刂苽鬏斨饕糜诎l(fā)送和接收與USB設(shè)備的配置信息相關(guān)的數(shù)據(jù)，包括建立階段、可選數(shù)據(jù)階段和狀態(tài)階段。每個階段都由特定的事務(wù)(USB最底層數(shù)據(jù)包的發(fā)送)組成。建立階段發(fā)送規(guī)定格式的USB標準請求命令；數(shù)據(jù)階段是可選的，它根據(jù)建立階段指明的傳輸方向傳輸具有USB定義的數(shù)據(jù)，該階段包含一個或多個IN／OUT事務(wù)；狀態(tài)階段用于報告建立階段和數(shù)據(jù)階段的傳輸結(jié)果。

(4)USB設(shè)備的枚舉。根據(jù)USB協(xié)議的規(guī)定，在調(diào)用標準請求命令函數(shù)的基礎(chǔ)上,實現(xiàn)主機對USB設(shè)備的枚舉。首先通過缺省地址0獲取設(shè)備描述符，如廠商ID、產(chǎn)品ID、設(shè)備類等信息；之后為設(shè)備分配新的地址；然后通過這個新地址與設(shè)備通信，獲取配置描述符、接口描述符、端點描述符等；根據(jù)獲取的配置描述符信息，為設(shè)備設(shè)定一個配置。

(5)整個USB的協(xié)議框架。至此，整個USB主機的活動特性已了解。從(1)～(4)，層層遞進，一級比一級高級。最簡單地說，就是(4)中宏觀的USB主機活動是由最底層的(1)實現(xiàn)。

而(1)中的函數(shù)是完全與硬件相關(guān)的部分，且越往上與硬件的關(guān)系越小，以至于在(4)中的層次就完全是與硬件無關(guān)的軟件平臺。這也為整個系統(tǒng)的移植奠定了基礎(chǔ)，只需修改與硬件緊密相關(guān)的函數(shù)體即可。

4.2 主機與存儲設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)字語音存儲應(yīng)用中采用的移動存儲設(shè)備是Mass Storage類(海量存儲類)。Mass Storage類主要用于軟磁盤接口、ATA接口、IDE硬盤接口及Flash存儲器等設(shè)備建立的USB接口。

不同的數(shù)據(jù)存儲載體接口構(gòu)成了Mass Storage類的子類，UFI即為實現(xiàn)軟磁盤接口的Mass Storage類的子類。各個子類都有一套自己的協(xié)議，并通過命令的形式實現(xiàn)各種功能。這些命令都是各子類所特有的，與USB沒有任何關(guān)系，只是在uSB傳輸時被打包成一系列的命令包進行傳輸。而真正與Mass Storage的傳輸方式相關(guān)的是其傳輸協(xié)議。

BULK-ONLY協(xié)議沒有使用中斷和控制端點，僅使用BULK(批量)端點進行命令、數(shù)據(jù)和狀態(tài)的傳輸。批量傳輸方式不受時間限制并能保證數(shù)據(jù)的完整性。在這種傳輸方式下，有三種類型的數(shù)據(jù)在USB與設(shè)備之間傳送：CBW、CSW和普通數(shù)據(jù)。

圖6描述了主機端數(shù)據(jù)傳輸方式。從圖6可以看到數(shù)據(jù)段一分為二，一個是數(shù)據(jù)輸出(主機發(fā)送數(shù)據(jù)到設(shè)備)，另一個是數(shù)據(jù)輸入(主機從設(shè)備獲取數(shù)據(jù))。主機發(fā)送CBW，這個CBW本身作為描述符的負載數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆O(shè)備。CBW的封包也包括封包頭和 圖6 BULK-ONLY傳輸方式命令塊兩部分。封包頭表征了數(shù)據(jù)傳輸方向傳輸?shù)倪壿媶卧兔顗K長度，命令塊是真正需要實現(xiàn)的命令。

4．3 數(shù)字語音數(shù)據(jù)存儲

(1)單片機對移動存儲設(shè)備的讀寫

對USB移動存儲設(shè)備的讀寫需要對存儲體的存儲格式有一定了解。FAT文件系統(tǒng)通過Mass Storage類的UFI子類命令與u盤建立聯(lián)系，并在系統(tǒng)中建立一個U盤的空間結(jié)構(gòu)實現(xiàn)寫文件、讀文件等功能。對于只有一個分區(qū)的FATl6格式的U盤，其結(jié)構(gòu)依次是主引導(dǎo)記錄(MBR)、系統(tǒng)引導(dǎo)記錄(DBR)、文件分配表(FAT)、文件目錄表(FDT)和數(shù)據(jù)區(qū)(DATA)。

MBR包括446字節(jié)的主引導(dǎo)代碼、64字節(jié)的DPT(Disk Partition Table，磁盤分區(qū)表)和“55．AA”的結(jié)束標志。DBR是操作系統(tǒng)可以直接訪問的第一扇區(qū)，它包括一個引導(dǎo)程序和一個被稱為BPB(Bios Parameter Block)的本分區(qū)參數(shù)記錄表。

BPB含有對文件系統(tǒng)操作的關(guān)鍵信息，因此非常重要。在對U盤進行讀寫前首先要讀取MBR扇區(qū)和DBR扇區(qū)，以獲取DPT和BPB信息作為文件系統(tǒng)操作的基礎(chǔ)；然后根據(jù)FAT表中簇的使用情況為相應(yīng)文件進行分配(回收)并在FDT表中注冊(刪除)文件屬性等信息，即可實現(xiàn)對文件寫、刪除等操作。

(2)數(shù)字語音文件的實時存儲

在本應(yīng)用系統(tǒng)中，把實時采集編碼后的數(shù)字語音按文件格式存儲到uSB接口的移動存儲設(shè)備上，以實現(xiàn)嵌入式環(huán)境下實時語音數(shù)據(jù)的存儲與交換。對于存儲后的數(shù)字語音文件可在PC環(huán)境下作后期處理，非常方便和靈活。整個系統(tǒng)的主循環(huán)程序設(shè)計流程如圖7所示。根據(jù)實際應(yīng)用需求，設(shè)計了兩路實時語音的采集編碼，每路語音的數(shù)據(jù)速率為8kbps。

由于語音數(shù)據(jù)是恒定速率輸入且長時間存儲的數(shù)據(jù)量比較大，因此如何提高存儲速度以保證語音數(shù)據(jù)的實時存儲就非常重要。為此系統(tǒng)采用前后臺操作方式，即語音數(shù)據(jù)的緩存在中斷服務(wù)程序中完成，并且每路語音數(shù)據(jù)均采用雙緩沖區(qū)形式。其中一個用于實時采集的語音數(shù)據(jù)緩存，另一個用于USB主機發(fā)送到U盤的數(shù)據(jù)緩存。

在系統(tǒng)運行中兩個緩沖區(qū)的角色動態(tài)切換。在系統(tǒng)緩存容量允許的情況下，每個緩沖區(qū)大小盡可能大一些。因為對U盤一次性寫入的文件容量越大，平均字節(jié)的系統(tǒng)開銷越小，速度越快。數(shù)字語音文件存儲到u盤的操作在后臺主循環(huán)中實現(xiàn)，主循環(huán)對兩個緩沖區(qū)滿標志進行查詢來決定當前待發(fā)送的緩沖區(qū)，發(fā)送完畢后清除相應(yīng)的緩沖區(qū)滿標志。所以通過有效分配緩沖區(qū)大小和雙緩沖方式能有效提高數(shù)據(jù)存儲速度，再通過采用前后臺的操作方式更好地保證數(shù)據(jù)存儲的實時性能。

本文主要研究了嵌入式環(huán)境下基于USB-HOST結(jié)構(gòu)的數(shù)字錄音技術(shù)及其實現(xiàn)，目前已通過系統(tǒng)調(diào)試。系統(tǒng)能夠完成設(shè)計預(yù)期的對兩路語音的實時存儲，且長時間運行穩(wěn)定性較好。在設(shè)計中由于USB主機協(xié)議框架部分按自底向上的層次設(shè)計方法，因此系統(tǒng)具有很好的移植性，稍做修改即可移植到如數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、工控領(lǐng)域等應(yīng)用場合。

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