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基于IDE硬盤的大容量語音記錄儀
摘要：介紹一種基于IDE硬盤的大容量語音記錄儀的設計方法，重點闡述了大容量語音記錄儀的硬件和軟件設計。關鍵詞：大容量語音記錄儀單片機IDED6571EPIO
隨著我國經濟建設的迅猛發展，公安、鐵路、民航、金融等部門對語音記錄的需求不斷增長。用戶經常需要回放時間長達幾個月、甚至幾年的大容量語音記錄儀，而目前國內可見到的語音記錄儀大多只能連續記錄幾百小時（即一個月左右）。而大容量的語音記錄儀一般是基于PC機，設備體積較大，使用不便。近年來作為數據存儲介質的硬盤，以其容量大、接口智能化程度高、控制方便越來越受到人們的重視。充分發揮硬盤的優勢，脫離系統主機，可以為用戶開發出超大存儲容量、性能可靠的語音記錄儀。
本文提出了采用單片機控制硬盤對語音數據進行實時存儲的方案。其最大優點是可記錄語音時間長達幾個月甚至幾年，并能達到較高的性能指標。
甚至IDE硬盤的大容易語音記錄儀的特點：
(1)以單片機為核心，采用PIO模式進行硬盤的讀寫，可大大提高系統的性能價格比，使得語音記錄時間長達1500小時（6GB硬盤）。若換用更大容量硬盤，可實現更長語音記錄時間，達到連續工作幾個月甚至幾年的要求。
(2)采用DSP芯片D6517E，其語音壓縮算法采用TRUESPEECHTripleRateCoder，8kHz采樣頻率下語音壓縮速率為9.6、7.2或4.4kbps，MOS指標可達到3.98。
(3)采用大規模可編程邏輯器件CPLD對系統數字邏輯電路進行集成，提高了系統的穩定性和可靠性，具有較好的通用性，可滿足多種場合的需要，不需改動任何硬件。
(4)預留遠程調度電話接口，可實現遠程監聽、查詢等功能。
(5)由于采用4層PCB線路板設計、表貼工藝和超薄筆記本硬盤，使得基于IDE硬盤的大容量語音記錄儀體積如普通電話機大小，可實現對一路電話進行高阻并聯錄音，并可在本機播放記錄語音和遠程調度記錄語音。
圖1D6571E的典型應用電路
1系統硬件設計
1.1D6571E芯片
在本系統中，選擇DSP芯片D6571E,其語音壓縮算法采用TRUESPEECHTripleRateCoder。由于該算法的實時運算需要22MIPS以上的運算速度，為此將DSP內核和算法代碼集成在D6571E芯片內。D6571E的典型應用電路如圖1所示。
D6571E具有16位寬的總線，但也允許以分時方式使用8位總線，這時CPU須用HI/LO信號表示送到總線上的是高8位還是低8位；當D6571E主動將數據送到總線上時，會發出ACK信號通知CPU讀取數據。HSTRD和HSTWR則是讀和寫的控制線。由于TRUE-SPEECHTripleRateCoder算法按30ms分幀采樣，然后進行分析壓縮，因此無論是讀取壓縮數據還是因送壓縮數據，均必須在一幀內完成，否則D6571E會自行進入休眠狀態。向D6571E輸送語音數據的過程如下：首先送出解壓控制命令，然后接收一個回送狀態字，狀態字中包含了當前幀所需要的字節數，CPU就連續送出規定數目的數據，待一幀處理完畢后,D6571E會繼續送出狀態字，如此循環就可連續回放語音了。而利用D6571E進行語音壓縮的數據處理過程正好相反，狀態字中包含的是當前幀壓縮所得到的字節數，CPU應連接接收規定數目的數據。
D6571E芯片具備工業標準的編解碼器接口，可直接與串行PCM接口的音頻編解碼芯片相連，如美國國家半導體的TP3054（μ律）、TP3057（A律）等。本系統設計中音頻編解碼接口芯片采用了TP3057。TP3057工作所需的同步脈沖、采樣時鐘、數據信號等只需與D6571E的4根控制線相連即可得到。
由于D6571E的控制命令很豐富，在大容量語音記錄儀的設計中，筆者利用D6571E實現數字音量控制、自動增益控制、變速回放、雙音頻信號產生和鑒別、來電顯示等功能，省去了不少功能芯片、線路板面積，使昨最終設計成型的大容量語音記錄儀體積如普通電話機大小。
1.2IDE硬盤的控制
利用單片機控制現有的硬盤，可極大地提高系統的性能價格比，因此本系統采用單片機控制硬盤進行語音數據的存儲。
圖2DK23AA-60硬盤引腳及定義
IDE接口的硬盤驅動器提供了兩種數據傳輸模式：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。該模式采用高速的數據塊I/O，以扇區為單位，用中斷請求方式與CPU進行批量數據交換。在扇區讀寫操作時，一次按16位長度通過內部的高速PIO數據寄存器傳輸。通常情況下，數據傳輸以扇區為單位，每傳輸一扇區數據產生一個中斷。由于本系統語音壓縮數據的最大速率只有9.6kbps，而相關資料報道采用PIO寫盤速度可以達到192kbps，完全可以滿足本系統的要求。
本系統采用Hitachi（日立）公司DK23AA-60型號的筆記本硬盤。它具有6GB的存儲容量，厚度僅有9.6mm，它的引腳及定義如圖2所示。
IDE接口是一種任務寄存器結構的接口，所有輸入輸出操作均通過對相應寄存器的讀寫完成。IDE硬盤驅動器中的寄存器及地址分配見表1。表2為狀態寄存器，它反映了硬盤驅動器執行命令后的狀態。
表1IDE硬盤驅動器中的寄存器及地址分配
地址寄存器名及功能CS1FXCS3FXDA2DA1DA0讀操作寫操作01000數據寄存器01001錯誤寄存器特性寄存器01010扇區數寄存器01011扇區號寄存器01100柱面號寄存器：低字節01101柱面號寄存器：高字節01110驅動器/磁頭寄存器01111狀態寄存器命令寄存器
表02狀態寄存器
D7D6D5D4D3D2D1D0BSYDRDYDWFDSCDRQCORRIDXERR
狀態寄存器中各位定義如下：
BSY：驅動器忙；
DRDY：驅動器準備好；
DWF：驅動器寫失敗；
DSC:尋道結束；
DRQ：請求服務，驅動器希望通過數據寄存器與CPU交換一字節數據；
CORR：當可以糾正的讀錯誤發生時，該位置1，數據傳輸將繼續進行；
IDX：收到綜引信號；
ERR：命令執行出錯。
在向硬盤驅動器發出命令前，必須先檢測硬盤驅動器是否忙碌（D7=1）。如果在規定時間內硬盤驅動器一直忙碌，則置超時錯；否則表示硬盤驅動器空閑，可接受命令。
如果CPU要對硬盤寫數據，首先CPU把必要的參數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，同時驅器設置狀態寄存器的DRQ位，表示準備好接收數據，CPU通過數據寄存器將數據寫入扇區緩沖區；當扇區緩沖區填滿后，驅動器清除DRQ位，并置位BSY，驅動器將扇區緩沖區中數據寫入磁盤；當寫盤結束，清除BSY位，發中斷請求信號DNTRQ；CPU接收到中斷信號后，讀驅動器狀態寄存器，同時將中斷信號INTRQ撤除。
如果CPU要對硬盤進行讀數據操作，首先把參數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，命令開始執行。這時驅動器置狀態寄存器中的BSY為1，同時將硬盤上指定扇區內的數據送入扇區緩沖區。當扇區緩沖區準備好數據后，置位DRQ，清BSY，發中斷請求信號INTRQ。CPU檢測到中斷后，讀取狀態寄存器，測試ERR位，若等于1則轉入出錯處理；否則DRQ位為1，CPU從扇區緩沖區讀取數據，數據讀完后，驅動器復位DRQ位，然后驅動器重新設置BSY位。
1.3工作原理
基于IDE硬盤的大容量語音記錄儀主要由單片機，D6571E、IDE接口筆記本硬盤、A律編解碼芯片TP3057、可編程邏輯器件MAX7128S、160×32LCD模塊、鍵盤、時鐘芯片、振鈴檢測芯片TCM1520A、電話線接口和電源等部分組成，系統原理框圖如圖3所示。
單片機選用WINBOND公司的W78E52。它是整個系統的控制核心，完成對IDE硬盤、LCD等的初始化，接收D6571E壓縮后的語音數據并存儲在硬盤上，通過D6571E回放硬盤上的語音數據。W78E52是一款完全與8051兼容的8位單片機，它增加了WatchdogTimer和內部電源管理等功能，并且是目前少數可運行在最高40MHz晶振的單片機之一。本系統中的單片機W78E52運行在40MHz晶振下，以提高運行速度。
整個系統的數字邏輯部分采用一片ALTERA公司的大規模可編程邏輯器件MAX7128S，它完成單片機與IDE硬盤、D6571E、LCD顯示和鍵盤的接口邏輯控制。可編程邏輯器件MAX7128S的程序設計采用目前較為通用和流行的VHDL語言，用MAX+plusII和FPGAExpress軟件編譯仿真完成。
一片D6571E完成對并聯話機狀態的監測。當D6571E監測到并聯線路上有語音信號時，判斷并聯話機有去話；當振鈴檢測芯片TCM1520A檢測到并聯線路上有振鈴時，判斷并聯話機有來話。當并聯話機存儲來話和去話時，D6571E開始記錄語音，并將壓縮的語音數據實時傳送給單片機。單片機負責將語音數據存儲在硬盤上，并附加上相關的日期時間、來去話標志、主被叫電話號碼和通話時長等索引內容，以便查詢使用。當本機需要回放語音記錄或遠程調度時，單片機將硬盤上的語音壓縮數據通過另外一片D6571E解壓轉變成語音。
160×32LCD可顯示16×16點陣的漢字兩行，每行10個漢字。它主要用于顯示系統的日期時間、提示信息或狀態信息，方便用戶的使用。
系統中鍵盤可實現本機對語音記錄的回放選擇以及對D6571E工作的預置值進行設定，如語音壓縮率的選擇、調節音量等。
遠程調度電話線接口可實現遠程監聽和查詢等功能。系統在檢測到遠程調度電話線上的振鈴信號后，將模擬摘，同時向主叫播放語音提示。主叫可按照語音提示操作，即可監聽到硬盤上的任意一段語音記錄，甚至可以監聽到系統正在記錄的語音。
2系統軟件設計
系統軟件包含有主程序、中斷服務程序和任務子程序等。
主程序主要完成對IDE硬盤、D6571E、LCD等的初始化，并檢測任務表是否空，若不空則執行相應任務。圖4所示為系統主程序流程圖。
中斷服務程序主要包括T0中斷服務程序、INT0中斷服務程序、INT1中斷服務程序等。T0中斷服務程序主要負責定時喂看門狗、掃描鍵盤讀鍵值等，并寫相關任務到任務表中。INT0、INT1中斷服務程序分別響應系統中2片D6571E的中斷請求，將并聯話機通話的語音壓縮任務和記錄語音的播放任務寫到任務表中，待主程序調用執行。
任務子程序主要有LCD顯示子程序、D6571E對語音的壓縮子程序、D6571E對語音的解壓子程序、讀寫IDE硬盤子程序、振鈴處理子程序等。
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