基于USB總線的多路電話錄音系統(tǒng)的設計

　　1 概述

　　現(xiàn)在市場上的錄音系統(tǒng)大致可分為電話錄音卡和電話錄音盒兩種。電話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，不僅價格昂貴，而且受計算機插槽數(shù)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，無法專門對其作電磁屏蔽,容易導致數(shù)據(jù)丟失，使聲音失真。電話錄音盒一般為外置式設備，通過接口線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(tǒng)的串并口都是點對點連接，即一個接口只能支持一個設備，而且串并口一般不能滿足系統(tǒng)的實時性要求。在這種情況下，采用USB作為錄音系統(tǒng)的接口，是一個相當好的選擇。設計一種基于USB接口技術的電話錄音系統(tǒng)，不僅充分利用USB規(guī)范的各種優(yōu)越條件，很好地解決了上述問題，而且具有支持即插即用、使用方便的功能，市場前景廣闊。

　　本文闡述一種基于USB總線的多路電話錄音系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，錄音系統(tǒng)采用高性能的混合信號微控制器芯片C8051F320作為控制器內(nèi)核。該微控制器內(nèi)部集成有USB控制器來控制USB的傳輸，簡化了系統(tǒng)硬件電路的設計；軟件方面利用Cygnal/Silicon Laboratories公司提供的USBXpress軟件開發(fā)包進行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，開發(fā)簡單，易于實現(xiàn)。 錄音系統(tǒng)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線，即插即用,無須外接電源，可熱插拔，使用方便。錄音系統(tǒng)以軟硬件相結(jié)合的方式對電話進行錄音，并將錄音文件錄制于電腦硬盤，彌補了傳統(tǒng)電話錄音時間短、不便管理、聲卡采集器錄音不穩(wěn)定的缺陷。

　　2 系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)

　　2．1 USB總線及C8051F320微控制器簡介

　　通用串行總線(USB)是近年來發(fā)展起來的一種新的總線接口技術，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，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(tǒng)的串/并接口，可以滿足絕大部分情況下大數(shù)據(jù)量實時傳輸?shù)囊?。USB接口采用樹型拓撲結(jié)構，一個USB接口可以最多連接127個設備，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沖突問題。另外,USB接口支持熱插拔的特性，極大地方便了系統(tǒng)的開發(fā)調(diào)試和實際應用；USB設備不需要單獨的電源，只需用計算機或集線器提供電源。

　　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(nèi)部集成有2 304字節(jié)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(tǒng)可編程的功能。實際上，C8051F320是一個完整的小型片上系統(tǒng)（SoC）。C8051F320具有以下特點：

全速的USB2.0功能控制器；
可支持8個USB端點；
帶有1 KB的USB緩沖存儲器；
內(nèi)部集成了 USB接口的數(shù)據(jù)收發(fā)器，設計中無需外部上拉電阻；
具有高速增強性8051 MCU內(nèi)核，該MCU內(nèi)核采用流水線式指令結(jié)構，處理速度可達25 MIPS（時鐘頻率為25 MHz時）。

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

　　2.2 系統(tǒng)的硬件構成

　　錄音系統(tǒng)實現(xiàn)四路電話同時錄音。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

　　錄音盒內(nèi)部為以C8051F320微控制器芯片為核心的單片機系統(tǒng)；通過USB電纜與主機連接；微控制器芯片的P0～P3四個端口用于輸入電話線路產(chǎn)生的直流信號，以獲取電話線路的狀態(tài)；P4～P7四個端口用于輸入電話線路產(chǎn)生的交流信號，即語音信號，然后通過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，作為 USB傳輸?shù)匿浺魯?shù)據(jù)。

　　系統(tǒng)所采用的A/D轉(zhuǎn)換器為C8051F320微控制器內(nèi)部集成，具有10位精度，最高采樣率可達200 ksps。

　　3 系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)

　　系統(tǒng)的軟件基于Silicon Laboratories公司提供的USBXpress軟件開發(fā)包開發(fā)設計，USBXpress通過動態(tài)鏈接庫和庫函數(shù)提供應用程序接口。由于 USBXpress已提供有設備的驅(qū)動程序，因而，開發(fā)的主要任務是下位機固件程序和上位機應用程序的開發(fā)。

　　3.1 USBXpress軟件開發(fā)包

　　USBXpress軟件開發(fā)包包括Windows公司設備驅(qū)動程序、INF驅(qū)動安裝文件、主機接口函數(shù)庫（以Windows DLL的形式提供）以及設備固件接口函數(shù)庫。

　　錄音系統(tǒng)使用到的主機接口函數(shù)為：

F32x_GetNumDevic

es( )返回主機所連接的USB設備的個數(shù)
F32x_GetProductString( )返回所連USB設備的描述符
F32x_Open( )打開USB設備
F32x_Close( )關閉USB設備
F32x_Read( )讀設備
F32x_Write( )寫設備
F32x_SetTimeouts()設置讀/寫超時值
F32x_GetTimeouts()獲取讀/寫超時值
F32x_CheckRXQueue()返回設備接收隊列的字節(jié)數(shù)

　錄音系統(tǒng)使用到的設備固件接口函數(shù)：

USB_init()使能USB接口
Block_Write()寫緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，通過USB送入主機
Block_Read()讀主機通過USB送至設備的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)
Get_Interrupt_Source()返回主機API中斷源以進行相應的處理
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

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

　　3.2 設備固件程序的實現(xiàn)

　　系統(tǒng)選擇 Keil C作為固件開發(fā)環(huán)境，并采用C語言和匯編語言相結(jié)合的方式。

　　固件程序把有關USB功能的固件設計成完全的中斷驅(qū)動，ISR(中斷服務程序)和后臺主程序的數(shù)據(jù)交換通過事件標志和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來進行。主循環(huán)負責初始化I/O口、定時器和中斷以及重新連接到USB總線，然后檢測事件標志來對各種事件進行處理。其中后臺程序采用C51高級語言編寫，A/D轉(zhuǎn)換完成中斷子程序采用ASM51匯編語言編寫。

　　固件程序調(diào)用USBXpress提供的固件接口函數(shù)來實現(xiàn)通過USB傳輸數(shù)據(jù)的功能，定義一個中斷號為16的中斷服務函數(shù)以響應USB中斷。該 ISR以如下形式調(diào)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A/D轉(zhuǎn)換使接入的4路電話模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以便于傳輸及存儲。程序采用定時器0溢出啟動A/D轉(zhuǎn)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，語音信號）采樣，并每間隔一定時間對直流通道（通道5、6、7、8，電話狀態(tài)）進行采樣。A/D轉(zhuǎn)換完成中斷子程序用匯編語言編寫，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:;查詢電話狀態(tài)
MOV ADC_COUNTER,#1
;將ADC切換至通道4
JMP ADC_INT_END
ADC_0:;讀取電話1語音信號
;將ADC切換至通道5
JMP ADC_INT_END
ADC_1:;讀取電話2語音信號
;將ADC切換到通道6
JMP ADC_INT_END
ADC_2:;讀取電話3語音信號
;將ADC切換到通道7
JMP ADC_INT_END
ADC_3:;讀取電話4語音信號
;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(tǒng)選用 Visual C++ 6.0進行上位機應用程序的開發(fā)。程序采用多線程的思想，主線程為用戶界面線程，負責應用程序與用戶的交互；另外開辟一個工作線程，用于USB數(shù)據(jù)的傳輸。應用程序首先通過USBXpress提供的接口函數(shù)F32x_GetNumDevices()來取得當前連接的USB設備數(shù)。然后，根據(jù)獲得的標識號利用接口函數(shù)F32x_Open()打開相應設備，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二的。這樣，就可以調(diào)用 F32x_Read()和F32x_Write()接口函數(shù)來讀/寫設備，控制數(shù)據(jù)的傳輸。為了準確讀取錄音數(shù)據(jù)，USBXpress提供了接口函數(shù) F32x_CheckRXQueue()來返回設備接收隊列中的字節(jié)數(shù)，以確保錄音數(shù)據(jù)的無差錯傳輸。錄音數(shù)據(jù)以PCM的格式存儲在電腦硬盤中。

　結(jié)語

　　該電話錄音系統(tǒng)基于Silicon Laboratories公司提供的USBXpress軟件開發(fā)包開發(fā)設計。開發(fā)調(diào)試簡單、快捷，實現(xiàn)了四路電話同時錄音，錄音清晰，并實現(xiàn)了電話監(jiān)聽功能。通過對基于USB的多路電話錄音系統(tǒng)的調(diào)試測試,證明了它不僅實現(xiàn)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(tǒng)方法的缺陷,實現(xiàn)了真正意義上的即插即用，極大地方便了用戶使用。