基于USB總線(xiàn)的多路電話(huà)錄音系統的設計

　　1 概述

　　現在市場(chǎng)上的錄音系統大致可分為電話(huà)錄音卡和電話(huà)錄音盒兩種。電話(huà)錄音卡是以板卡的形式插入電腦主板插槽與主機連接的，安裝極為不便。大部分的錄音卡為PCI插槽形式，不僅價(jià)格昂貴，而且受計算機插槽數量、地址及中斷資源的限制，可擴展性較差。尤其是在電磁干擾較強的環(huán)境中，無(wú)法專(zhuān)門(mén)對其作電磁屏蔽,容易導致數據丟失，使聲音失真。電話(huà)錄音盒一般為外置式設備，通過(guò)接口線(xiàn)直接接入計算機外置接口，使用非常方便；但是，計算機提供的接口畢竟有限，傳統的串并口都是點(diǎn)對點(diǎn)連接，即一個(gè)接口只能支持一個(gè)設備，而且串并口一般不能滿(mǎn)足系統的實(shí)時(shí)性要求。在這種情況下，采用USB作為錄音系統的接口，是一個(gè)相當好的選擇。設計一種基于USB接口技術(shù)的電話(huà)錄音系統，不僅充分利用USB規范的各種優(yōu)越條件，很好地解決了上述問(wèn)題，而且具有支持即插即用、使用方便的功能，市場(chǎng)前景廣闊。

　　本文闡述一種基于USB總線(xiàn)的多路電話(huà)錄音系統的實(shí)現方法，錄音系統采用高性能的混合信號微控制器芯片C8051F320作為控制器內核。該微控制器內部集成有USB控制器來(lái)控制USB的傳輸，簡(jiǎn)化了系統硬件電路的設計；軟件方面利用Cygnal/Silicon Laboratories公司提供的USBXpress軟件開(kāi)發(fā)包進(jìn)行PC端應用程序和微控制器端固件程序的編程。該方法充分利用已有資源，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現。 錄音系統采用外置錄音盒的形式，連接在電腦的USB接口上，并連上要管理的電話(huà)線(xiàn)，即插即用,無(wú)須外接電源，可熱插拔，使用方便。錄音系統以軟硬件相結合的方式對電話(huà)進(jìn)行錄音，并將錄音文件錄制于電腦硬盤(pán)，彌補了傳統電話(huà)錄音時(shí)間短、不便管理、聲卡采集器錄音不穩定的缺陷。

　　2 系統的硬件實(shí)現

　　2．1 USB總線(xiàn)及C8051F320微控制器簡(jiǎn)介

　　通用串行總線(xiàn)(USB)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新的總線(xiàn)接口技術(shù)，以其低成本、高速度、易擴展、支持熱插拔和即插即用等一系列優(yōu)點(diǎn)，獲得了迅猛發(fā)展。USB接口已經(jīng)和串口/并口一樣，成為PC機的標準接口。USB2.0接口的最高傳輸速度可達480 Mbps，遠遠高于傳統的串/并接口，可以滿(mǎn)足絕大部分情況下大數據量實(shí)時(shí)傳輸的要求。USB接口采用樹(shù)型拓撲結構，一個(gè)USB接口可以最多連接127個(gè)設備，由于單獨使用自己保留的中斷，因此基于USB的通信克服了通常串并口通信中遇到的IQR沖突問(wèn)題。另外,USB接口支持熱插拔的特性，極大地方便了系統的開(kāi)發(fā)調試和實(shí)際應用；USB設備不需要單獨的電源，只需用計算機或集線(xiàn)器提供電源。

　　C8051F320是Cygnal公司推出的一款具有全速USB功能的混合信號Flash微控制器。芯片內部集成有2 304字節的RAM和16 KB的Flash存儲器；具有較快的處理速度和較大的存儲容量，而且具有在系統可編程的功能。實(shí)際上，C8051F320是一個(gè)完整的小型片上系統（SoC）。C8051F320具有以下特點(diǎn)：

全速的USB2.0功能控制器；
可支持8個(gè)USB端點(diǎn)；
帶有1 KB的USB緩沖存儲器；
內部集成了 USB接口的數據收發(fā)器，設計中無(wú)需外部上拉電阻；
具有高速增強性8051 MCU內核，該MCU內核采用流水線(xiàn)式指令結構，處理速度可達25 MIPS（時(shí)鐘頻率為25 MHz時(shí)）。

　　基于上述特點(diǎn)，錄音系統采用了C8051F320微控制器芯片。

　　2.2 系統的硬件構成

　　錄音系統實(shí)現四路電話(huà)同時(shí)錄音。系統總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架

　　錄音盒內部為以C8051F320微控制器芯片為核心的單片機系統；通過(guò)USB電纜與主機連接；微控制器芯片的P0～P3四個(gè)端口用于輸入電話(huà)線(xiàn)路產(chǎn)生的直流信號，以獲取電話(huà)線(xiàn)路的狀態(tài)；P4～P7四個(gè)端口用于輸入電話(huà)線(xiàn)路產(chǎn)生的交流信號，即語(yǔ)音信號，然后通過(guò)A/D轉換器轉換為數字信號，作為 USB傳輸的錄音數據。

　　系統所采用的A/D轉換器為C8051F320微控制器內部集成，具有10位精度，最高采樣率可達200 ksps。

　　3 系統的軟件實(shí)現

　　系統的軟件基于Silicon Laboratories公司提供的USBXpress軟件開(kāi)發(fā)包開(kāi)發(fā)設計，USBXpress通過(guò)動(dòng)態(tài)鏈接庫和庫函數提供應用程序接口。由于 USBXpress已提供有設備的驅動(dòng)程序，因而，開(kāi)發(fā)的主要任務(wù)是下位機固件程序和上位機應用程序的開(kāi)發(fā)。

　　3.1 USBXpress軟件開(kāi)發(fā)包

　　USBXpress軟件開(kāi)發(fā)包包括Windows公司設備驅動(dòng)程序、INF驅動(dòng)安裝文件、主機接口函數庫（以Windows DLL的形式提供）以及設備固件接口函數庫。

　　錄音系統使用到的主機接口函數為：

F32x_GetNumDevic

es( )返回主機所連接的USB設備的個(gè)數
F32x_GetProductString( )返回所連USB設備的描述符
F32x_Open( )打開(kāi)USB設備
F32x_Close( )關(guān)閉USB設備
F32x_Read( )讀設備
F32x_Write( )寫(xiě)設備
F32x_SetTimeouts()設置讀/寫(xiě)超時(shí)值
F32x_GetTimeouts()獲取讀/寫(xiě)超時(shí)值
F32x_CheckRXQueue()返回設備接收隊列的字節數

　錄音系統使用到的設備固件接口函數：

USB_init()使能USB接口
Block_Write()寫(xiě)緩沖區數據，通過(guò)USB送入主機
Block_Read()讀主機通過(guò)USB送至設備的緩沖區數據
Get_Interrupt_Source()返回主機API中斷源以進(jìn)行相應的處理
USB_Int_Enable()API中斷使能
USB_Int_Disable()禁止API中斷
USB_Disable()禁止USB接口使能
USB_Suspend()暫停USB接口

　　通過(guò)這些主機和設備接口函數，即可方便地進(jìn)行主機應用程序和設備端固件程序的編制了。

　　3.2 設備固件程序的實(shí)現

　　系統選擇 Keil C作為固件開(kāi)發(fā)環(huán)境，并采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言相結合的方式。

　　固件程序把有關(guān)USB功能的固件設計成完全的中斷驅動(dòng)，ISR(中斷服務(wù)程序)和后臺主程序的數據交換通過(guò)事件標志和數據緩沖區來(lái)進(jìn)行。主循環(huán)負責初始化I/O口、定時(shí)器和中斷以及重新連接到USB總線(xiàn)，然后檢測事件標志來(lái)對各種事件進(jìn)行處理。其中后臺程序采用C51高級語(yǔ)言編寫(xiě)，A/D轉換完成中斷子程序采用ASM51匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。

　　固件程序調用USBXpress提供的固件接口函數來(lái)實(shí)現通過(guò)USB傳輸數據的功能，定義一個(gè)中斷號為16的中斷服務(wù)函數以響應USB中斷。該 ISR以如下形式調用：

void USB_API_ISR(void) interrupt 16 {
BYTEINTVAL=Get_Interrupt_Source();
if(INTVALTX_COMPLETE) {
Block_Write(In_Packet, …);
}
if(INTVALRX_COMPLETE) {
Block_Read(Out_Packet, …);
}
if(INTVALDEV_CONFIGURED) {
}
if(INTVALDEV_SUSPEND) {
USB_Suspend();
}
}

　　固件程序的主要工作是通過(guò)A/D轉換使接入的4路電話(huà)模擬信號轉換為數字信號，以便于傳輸及存儲。程序采用定時(shí)器0溢出啟動(dòng)A/D轉換的方式，依次以一定的采樣速率（11 025 kbps）對交流通道（通道1、2、3、4，語(yǔ)音信號）采樣，并每間隔一定時(shí)間對直流通道（通道5、6、7、8，電話(huà)狀態(tài)）進(jìn)行采樣。A/D轉換完成中斷子程序用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，其大致框架為：

ADC_INT: CLRAD0INT；清ADC中斷位
PUSHACC
PUSHPSW
PUSHB
PUSHDPH
PUSHDPL
MOVA,ADC_COUNTER
MOVB, #3
MULAB
MOV DPTR,#ADC_TAB
JMP @A+DPTR
ADC_TAB:
LJMP ADC_0
LJMP ADC_1
LJMP ADC_2
LJMP ADC_3
ADC_4:;查詢(xún)電話(huà)狀態(tài)
MOV ADC_COUNTER,#1
;將ADC切換至通道4
JMP ADC_INT_END
ADC_0:;讀取電話(huà)1語(yǔ)音信號
;將ADC切換至通道5
JMP ADC_INT_END
ADC_1:;讀取電話(huà)2語(yǔ)音信號
;將ADC切換到通道6
JMP ADC_INT_END
ADC_2:;讀取電話(huà)3語(yǔ)音信號
;將ADC切換到通道7
JMP ADC_INT_END
ADC_3:;讀取電話(huà)4語(yǔ)音信號
;將ADC切換至通道8
ADC_3_1:DEC A
JNZ ADC_3_2
;將ADC切換至通道1
JMP ADC_INT_END
ADC_3_2:DEC A
JNZADC_3_3
;將ADC切換至通道2
JMP ADC_INT_END
ADC_3_3:;將ADC切換至通道3
ADC_INT_END:INCADC_COUNTER
POPDPL
POPDPH
POPB
POPPSW
POPACC
RETI

　　3.3 上位機應用程序的設計

　　系統選用 Visual C++ 6.0進(jìn)行上位機應用程序的開(kāi)發(fā)。程序采用多線(xiàn)程的思想，主線(xiàn)程為用戶(hù)界面線(xiàn)程，負責應用程序與用戶(hù)的交互；另外開(kāi)辟一個(gè)工作線(xiàn)程，用于USB數據的傳輸。應用程序首先通過(guò)USBXpress提供的接口函數F32x_GetNumDevices()來(lái)取得當前連接的USB設備數。然后，根據獲得的標識號利用接口函數F32x_Open()打開(kāi)相應設備，并獲得設備的句柄作為USB設備的標識。該句柄在程序中是獨一無(wú)二的。這樣，就可以調用 F32x_Read()和F32x_Write()接口函數來(lái)讀/寫(xiě)設備，控制數據的傳輸。為了準確讀取錄音數據，USBXpress提供了接口函數 F32x_CheckRXQueue()來(lái)返回設備接收隊列中的字節數，以確保錄音數據的無(wú)差錯傳輸。錄音數據以PCM的格式存儲在電腦硬盤(pán)中。

　結語(yǔ)

　　該電話(huà)錄音系統基于Silicon Laboratories公司提供的USBXpress軟件開(kāi)發(fā)包開(kāi)發(fā)設計。開(kāi)發(fā)調試簡(jiǎn)單、快捷，實(shí)現了四路電話(huà)同時(shí)錄音，錄音清晰，并實(shí)現了電話(huà)監聽(tīng)功能。通過(guò)對基于USB的多路電話(huà)錄音系統的調試測試,證明了它不僅實(shí)現了基本的錄音功能，達到了很好的錄音效果，而且克服了以往傳統方法的缺陷,實(shí)現了真正意義上的即插即用，極大地方便了用戶(hù)使用。