基于A(yíng)C48304的嵌入式多路語(yǔ)音記錄器

普通的低成本嵌入式處理器性能不高，不足以實(shí)現多路語(yǔ)音的實(shí)時(shí)編碼、解碼，需要用專(zhuān)門(mén)的語(yǔ)音處理芯片完成這一工作?；贒SP自主設計語(yǔ)音編碼器是一種方法，但工作量大。AC48304廣泛應用于各種小型VOIP網(wǎng)關(guān)中，價(jià)格低廉，是一種很好的替代方案。同時(shí)AC48304還具有DTMF識別和靜音檢測等功能，便于實(shí)現電話(huà)號碼識別和語(yǔ)音的自動(dòng)記錄。

ARM是一種應用廣泛的嵌入式處理器，Samsung、Atmel等廠(chǎng)家生產(chǎn)的ARM處理器接口豐富，技術(shù)支持全面。ARM處理器價(jià)格低、性?xún)r(jià)比高，向下取代了大量單片機的應用，向上滲透高端嵌入式處理器的市場(chǎng)。在本多路語(yǔ)音記錄器中，采用了Samsung的ARM9處理器S3C2410，操作系統則采用了嵌入式linux。

2． 系統結構

語(yǔ)音記錄器包括語(yǔ)音處理模塊、ARM系統模塊、硬盤(pán)記錄模塊、網(wǎng)絡(luò )接

語(yǔ)音CODEC采用AMD的LE58QL021，該器件是3.3V單電壓用戶(hù)線(xiàn)語(yǔ)音處理器，在小型語(yǔ)音網(wǎng)關(guān)中是AC48304的常用搭配，支持4通道語(yǔ)音AD/DA，支持E1 PCM Highway，能與AC48304實(shí)現無(wú)縫連接。LE58QL021的工作模式可軟件編程控制，ARM通過(guò)MPI（Microprocessor Interface）串行控制總線(xiàn)設置LE58QL021的各種工作參數。

基于DM9000網(wǎng)絡(luò )控制器，系統實(shí)現10/100Mbps自適應以太網(wǎng)接口，Linux操作系統提供設備驅動(dòng)支持。IDE接口則是由一片CPLD實(shí)現，硬盤(pán)用于語(yǔ)音的本地記錄。主要部分電路原理見(jiàn)圖1。

　　

圖1 語(yǔ)音處理模塊的硬件電路原理圖

3． AC48304語(yǔ)音處理器

AC48304是AudioCodes公司基于DSP設計的一個(gè)四通道語(yǔ)音處理器，支持多種標準、多種碼率的G系列語(yǔ)音編碼器，如G.723.1，G.711，G.726和G.729等，支持T.38傳真中繼和其他語(yǔ)音信號處理功能。在系統中，ARM通過(guò)CPU局部總線(xiàn)實(shí)現對AC48304的控制及數據交換。AC48304與LE58QL021之間通過(guò)E1 PCM Highway接口實(shí)現多通道數字語(yǔ)音接口。E1接口由2.048Mhz時(shí)鐘驅動(dòng)，有0~31共32個(gè)8位時(shí)隙，工作時(shí)序如圖2所示。

　　

圖2 PCM Highway時(shí)序

AC48304是一種專(zhuān)用的語(yǔ)音處理DSP芯片，需要運行相應的DSP程序。正常運行前， AC48304有兩個(gè)程序需要下載：kernel（內核）程序和application（應用）程序。kernel程序是個(gè)只有幾百字節的小程序，完成DSP的初始化工作，為下載應用程序做準備。application程序則完成AC48304的所有功能，在kernel程序程序下載完成后，才可以下載application程序。AC48304有4個(gè)工作模式：內核下載模式、程序下載模式、初始化模式、運行模式。其中運行模式有兩個(gè)狀態(tài)：空閑狀態(tài)和激活狀態(tài)，用戶(hù)只能在空閑狀態(tài)改變芯片的工作參數。

4． 軟件設計

4．1Linux中的驅動(dòng)程序設計

操作系統采用的是嵌入式Linux操作系統。Linux具有效率高、內核小的優(yōu)點(diǎn)，且開(kāi)放源代碼，完全免費。在Linux操作系統下，應用程序不能直接訪(fǎng)問(wèn)硬件，盡管Linux在A(yíng)RM平臺上有較完整的板級支持包，但在該系統的開(kāi)發(fā)工作中仍然要完成部分設備的驅動(dòng)程序設計，包括AC48304驅動(dòng)程序、LE58QL021驅動(dòng)程序、S-EEPROM驅動(dòng)程序等。

設備驅動(dòng)程序要為應用軟件提供設備打開(kāi)、關(guān)閉、設備控制及數據讀/寫(xiě)等接口， 即一些類(lèi)似于open、close、read和write的函數，在主程序中直接采用文件讀寫(xiě)的方式實(shí)現數據的收發(fā)。LE58QL021與ARM處理器之間采用MPI串行控制總線(xiàn)，MPI驅動(dòng)接口結構定義如下：

　　static file_operations mpi_ctl_fops = {

　　ioctl:　　mpi_ctl_ioctl, //設備控制

　　open:　　mpi_open, //打開(kāi)設備

　　close:　　mpi

        _ close, //關(guān)閉設備

　　}

linux提供ioremap函數將I/O內存資源的物理地址映射到核心虛地址空間，然后可像操作寄存器那樣進(jìn)行數據讀寫(xiě)。編寫(xiě)驅動(dòng)程序的時(shí)候，必須提供兩個(gè)函數，一個(gè)是module_init()，insmod在加載此模塊的時(shí)候自動(dòng)調用，負責進(jìn)行設備驅動(dòng)程序的初始化工作，一個(gè)函數是module_exit，在模塊 
被卸載時(shí)調用，負責進(jìn)行設備驅動(dòng)程序的清除工作。

4．2 AC48304的數據讀寫(xiě)實(shí)現

每個(gè)AC48304可同時(shí)進(jìn)行4個(gè)通道的語(yǔ)音編/解碼，片內有數據緩存區，編碼后的語(yǔ)音數據先存儲在各通道的緩存區，然后依次拷貝到輸出緩沖區。表1為本系統支持的幾種主要語(yǔ)音編碼格式的相關(guān)參數。其中G.711的A/u律數據量最大為64kbps，每個(gè)通道每秒有8000字節的數據，而AC48304的數據讀取區的有效量為80字節，即每秒鐘要進(jìn)行100次的讀取操作，對每個(gè)AC48304而言每秒鐘要進(jìn)行400次讀取操作才能保證數據及時(shí)讀取。由于語(yǔ)音編碼包是以恒定的速率產(chǎn)生的，因此每2.5毫秒必須對DSP進(jìn)行一次讀取操作。本平臺的Linux內核中，進(jìn)

　　表1：語(yǔ)音數據特性

Linux中程序運行的環(huán)境分為內核空間和用戶(hù)空間，內核空間的程序優(yōu)先級高于用戶(hù)空間。為保證編碼數據被及時(shí)讀取，需在內核級別的進(jìn)程中定時(shí)讀取AC48304產(chǎn)生的數據。有兩種方式可將用戶(hù)程序加入到內核空間中運行：修改Linux內核源代碼，直接將用戶(hù)程序代碼編譯到內核中；利用Linux的模塊機制，動(dòng)態(tài)的將用戶(hù)程序代碼添加到內核空間中運行。第一種方法實(shí)現難度比較大，而且容易出錯。第二種方法實(shí)現難度小，效果與第一種相同，本系統中采用的是第二種方法。

將AC48304的讀取操作作為驅動(dòng)程序進(jìn)行設計，使用insmod命令動(dòng)態(tài)加載到內核中去，在定時(shí)中斷的服務(wù)函數中讀取AC48304的數據。S3C2410中有5個(gè)用戶(hù)可編程的時(shí)鐘中斷，中斷優(yōu)先級別高，中斷的頻率可編程控制，其中時(shí)鐘中斷Timer3已用于DMA控制，Tmer4用于進(jìn)程調度。本系統的程序設計中使用Timer2，通過(guò)配置相關(guān)控制寄存器將Timer2的中斷頻率設為500HZ，適當的增加讀取查詢(xún)操作頻率，保證數據及時(shí)讀取。中斷服務(wù)函數是由內核來(lái)執行的，優(yōu)先級高于用戶(hù)程序，可保證讀取操作的實(shí)時(shí)性。為AC48304的每個(gè)通道分配一個(gè)數據緩沖區，定時(shí)中斷函數中讀取的數據先保存在緩沖區中，用戶(hù)程序通過(guò)讀取該緩沖區獲得語(yǔ)音數據，這樣對外部用戶(hù)而言，語(yǔ)音數據沒(méi)有丟失，語(yǔ)音延遲在毫秒級別，完全可以滿(mǎn)足需求。

4．3 應用軟件設計

將應用程序及驅動(dòng)程序文件加入文件系統中，修改有關(guān)啟動(dòng)的配置文件，使得系統啟動(dòng)完畢時(shí)自動(dòng)加載目標程序，這樣每次設備啟動(dòng)時(shí)將自動(dòng)進(jìn)入應用程序。主程序流程如圖3所示，主程序的功能主要是：

u 系統配置：系統的配置表存儲在一片S-EEPROM中，配置表可以通過(guò)串口終端或者網(wǎng)絡(luò )在線(xiàn)配置。

u 初始化系統：包括向DSP下載內核程序和應用程序，啟動(dòng)DSP及LE58QL021等。

u 語(yǔ)音數據讀寫(xiě)：通過(guò)DSP的HPI總線(xiàn)讀取DSP數據實(shí)現語(yǔ)音采集，通過(guò)HPI把數據寫(xiě)入DSP實(shí)現語(yǔ)音回放。

u 數據存儲：根據錄音計劃將需要錄音的語(yǔ)音數據保存到硬盤(pán)中。

u 命令處理：包括選擇語(yǔ)音通道命令、回放命令、校時(shí)命令、增益調節命令、配置表傳輸命令、錄音數據上傳命令等。

　　
圖3.主程序流程圖

5． 結束語(yǔ)

本記錄器最多支持32路語(yǔ)音實(shí)時(shí)處理，在硬盤(pán)上實(shí)現長(cháng)時(shí)間錄音，并可通過(guò)10/100Mbps以太網(wǎng)實(shí)現數據上傳和管理。經(jīng)測試本記錄器可以很好的完成語(yǔ)音數據的采集、壓縮、存儲、解壓縮和回放，內核級別的用戶(hù)進(jìn)程運行正常，保證了整個(gè)系統的實(shí)時(shí)性。該語(yǔ)音記錄器具有低成本、低功耗、結構精簡(jiǎn)、使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，具有很好的實(shí)用價(jià)值。