自動語音記錄系統(tǒng)（AVRS）的SOPC設計與實現(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等軟件設計實現(xiàn)了一種新型的自動語音記錄系統(tǒng)（AVRS），實現(xiàn)了對多路電話的通話進行同期監(jiān)控錄音，可廣泛應用于需要經(jīng)常性語音記錄的部門。
關(guān)鍵詞：自動語音記錄系統(tǒng)；SOPC；Nios；Stratix

1  引言
    目前各行業(yè)對電話進行通話錄音變得越來越普遍，如政府機構(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監(jiān)控對象的往來通信需要錄音和實時監(jiān)聽；責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；金融銀行或證券機構(gòu)及與大宗金錢有關(guān)的交易需要錄音；而一些商務、服務領(lǐng)域則把錄音資料作為語音記錄和提高服務質(zhì)量的一種手段。目前，各行業(yè)使用的電話語音記錄設備主要包括磁帶式電話語音記錄設備、基于PC機的電話語音記錄設備和基于FLASH芯片的電話語音記錄設備。這些電話語音記錄設備由于體積過大或記錄時間較短等缺點在實際應用時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備。

    針對這種現(xiàn)狀，我們研制了一種新型的自動語音記錄系統(tǒng)（AVRS），它可對多路電話的通話進行同期監(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。

2  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能

    自動語音記錄系統(tǒng)（AVRS）的應用結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，它通常由PSTN、交換機、自動語音記錄系統(tǒng)、計算機和電話機構(gòu)成。本文所設計的自動語音記錄系統(tǒng)（AVRS）具有如下功能：
    （1）提供了高密度的解決方案，以分機并線方式可進行多達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。
    （2）可以提供多通道通話全程實時錄音；提供多種錄音啟動方式，如摘機控制、連接通話控制或聲音控制等；操作人員可在任何時間啟動監(jiān)聽功能；實時監(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現(xiàn)在錄制通話語音文件的同時同步記錄呼叫信息，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、通話時間和通話時長等。
    （4）可以實現(xiàn)遠程監(jiān)控管理的功能，通過預留的電話遠程撥入，在語音引導下可實時監(jiān)視所有通道的運行狀態(tài)；可以按多種查詢條件（按通道、日期時間、主叫號碼、被叫號碼等）查詢或刪除錄音記錄；可以實現(xiàn)80,000多個通道小時的在線存儲量，錄音記錄除可存儲在自動語音記錄系統(tǒng)（AVRS）中的硬盤上，還可通過設備上的USB口傳輸?shù)接嬎銠C中。

3  硬件設計
    自動語音記錄系統(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。每一Stratix DSP模塊可提供多達8個運行在250MHz的并行乘法器，數(shù)據(jù)吞吐能力高達2GMACS。最大的Stratix器件EP1S125包括28個DSP模塊，可完成高達224個并行乘法操作，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進行8個并行乘法操作，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）實現(xiàn)乘法器和DSP功能。例如，可在Stratix器件中利用大約9600個邏輯單元實現(xiàn)一個256階FIR濾波器。Stratix系列的EP1S120包括大約114,140個邏輯單元，可以容納11個這樣的濾波器。每一濾波器可運行在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)的設計中采用了Stratix EP1S125，利用它可完成對多通道通話全程實時監(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)的設計思想做了相應優(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)成一個功能強大的32位嵌入式處理器系統(tǒng)，其大部分指令可以在一個時鐘周期內(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)設計中的PCM編解碼電路采用了IDT821064編解碼芯片，它提供了4個獨立模擬音頻通道，適合用于企業(yè)和運營商級的網(wǎng)絡、無線網(wǎng)絡、接入網(wǎng)絡市場中的通信設備，具備完善的可編程性而無需外部組件，設計中根據(jù)所需要錄音的通道數(shù)可以通過增加相應的IDT821064即可滿足要求。IDT821064可進行阻抗匹配、音調(diào)生成、混合線圈平衡響應修正和增益設定，可依據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇適當?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]。

    設計中Nios軟核需要針對每個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，選用了可以獨立操作的PIO，通過軟件對它們置位和復位來發(fā)送控制命令。

    圖3是GCI接口時序圖，DCL是數(shù)據(jù)時鐘信號，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)此時序圖，我們可以編寫相關(guān)HDL代碼實現(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進行批量數(shù)據(jù)交換。在扇區(qū)讀寫操作時，一次按16位長度通過內(nèi)部的高速PIO數(shù)據(jù)寄存器實現(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)生一個中斷。

    如果CPU要對硬盤進行寫數(shù)據(jù)操作，首先CPU把必要的參數(shù)寫入對應的地址寄存器，等待DRDY有效，然后將操作碼寫入命令寄存器，同時驅(qū)動器設置狀態(tài)寄存器的DRQ位，表示準備好接收數(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)，當扇區(qū)緩沖區(qū)填滿后，驅(qū)動器清除DRQ位，并置位BSY。驅(qū)動器將扇區(qū)緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)寫入磁盤，當寫盤結(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)動器狀態(tài)寄存器，同時將中斷信號INTRQ清除。

    如果CPU要對硬盤進行讀數(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。這時驅(qū)動器置狀態(tài)寄存器中的BSY=1，同時將硬盤上指定扇區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)送入扇區(qū)緩沖區(qū)。當扇區(qū)緩沖區(qū)準備好數(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)動器復位DRQ位，然后驅(qū)動器重新設置BSY位[3]。

4  軟件設計
    軟件設計包括配置生成SOPC系統(tǒng)、嵌入式操作系統(tǒng)的移植、語音壓縮算法的設計、應用級代碼編寫及調(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，即可以由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它還是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備一定的系統(tǒng)可編程功能。SOPC 設計技術(shù)涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設計技術(shù)的全部內(nèi)容，包括：以處理器和實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設計技術(shù)、以PCB和信號分析為基礎的高速電路設計技術(shù)、軟硬件協(xié)同設計技術(shù)。

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

    在配置生成片上系統(tǒng)時，SOPC Builder會自動產(chǎn)生一些必需的仲裁邏輯來協(xié)調(diào)系統(tǒng)中各個部件的工作。我們首先將系統(tǒng)的工作頻率設為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)動的諸多文件，極大地方便了后續(xù)應用軟件的開發(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、具有可剝奪實時內(nèi)核的實時操作系統(tǒng)。其內(nèi)核提供任務調(diào)度與管理、時間管理、任務間同步與通信、內(nèi)存管理和中斷服務等功能。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、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點，加之它穩(wěn)定、可靠，現(xiàn)已被廣泛應用在航空、醫(yī)療器械、工業(yè)控制等領(lǐng)域[4]。

     μC/OS-II設計時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)和宏進行重寫。

    OS_ENTER_CRITICAL和OS_ENTER_CRITICAL：這是兩個宏，用來進行臨界段保護。在本設計中使用匯編代碼關(guān)中斷來實現(xiàn)。

OS_TASK_SW：這是一個用于進行任務切換的宏。本設計中利用CPU的軟件中斷方式
實現(xiàn)，也就是說調(diào)用此宏產(chǎn)生軟件中斷，然后由相應的中斷處理程序來具體實現(xiàn)任務上下文保護和任務切換。
OSIntCtxSw：實現(xiàn)中斷級任務切換，用純匯編實現(xiàn)。
OSCtxSw：實現(xiàn)用戶級上下文切換，用純匯編實現(xiàn)。
OSTickISR：為系統(tǒng)定時器中斷的處理函數(shù)，用純匯編實現(xiàn)。
OSTaskStkInit：用來創(chuàng)建任務時，對任務堆棧進行初始化。

4.3  語音壓縮算法的設計
    語音壓縮算法的設計實現(xiàn)基于DSP Builder、Matlab和Simulink等工具。DSP Builder是Altera公司推出的一個面向DSP開發(fā)的系統(tǒng)級工具。它是作為Matlab的一個Simulink工具箱出現(xiàn)的。Matlab是功能強大的數(shù)學分析工具，廣泛用于科學計算和工程計算，可以進行復雜的數(shù)字信號處理系統(tǒng)的建模、參數(shù)估計、性能分析。Simulink是Matlab的一個組成部分，用于圖形化建模仿真。

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

4.4  應用級代碼編寫及調(diào)試
    在QuartusⅡ中進行VHDL代碼的編寫以實現(xiàn)對系統(tǒng)各部分的控制，最后進行RTL級的功能仿真，并進行綜合、適配與時序仿真。在形成對指定FPGA進行編程配置的SOF文件之前可以將設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硬件模塊的實時工作波形，從而實現(xiàn)硬件仿真和調(diào)試。

5  結(jié)束語
    本文所設計的自動語音記錄系統(tǒng)（AVRS）最突出的特點是采用FPGA和SOPC技術(shù)進行的設計相當快速。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節(jié)性的電路設計，同時還可以得到比較好的系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

    自動語音記錄系統(tǒng)（AVRS）已經(jīng)進行了初步的仿真試驗，能夠達到非常好的實用效果，可滿足金融、保險、電力、