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基于ARM9處理器S3C2410的數字多路語音記錄器
電子發燒友
摘要: 1. 引言 數字多路語音記錄器在安全、監控方面有很多應用。一些傳統的設計方案基于工控機,用數據采集卡實現語音的A/D轉換,用軟件實現語音編解碼,這種方案成本高、功耗大。如果采用嵌入式的設計方案,可以實現同樣的功能,并且具有低成本,低功耗的特點。 普通的低成本嵌入式處理器性能不高,不足以實現多路語音的實時編碼、解碼,需要用專門的語音處理芯片完成這一工作。基于DSP自主設計語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網關中,價格低廉,是一種很好的替代方案。同時AC48304還具有DTMF識別和靜音檢測等功能,便于實現電話號碼識別和語音的自動記錄。 ARM是一種應用廣泛的嵌入式處理器,Samsung、Atmel等廠家生產的ARM處理器接口豐富,技術支持全面。ARM處理器價格低、性價比高,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。在本多路語音記錄器中,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 語音記錄器包括語音處理模塊、ARM系統模塊、硬盤記錄模塊、網絡接口模塊幾個部分。為使系統配置靈活,將系統設計為主控板和
Abstract:
Key words :

1. 引言

數字多路語音記錄器在安全、監控方面有很多應用。一些傳統的設計方案基于工控機,用數據采集卡實現語音的A/D轉換,用軟件實現語音編解碼,這種方案成本高、功耗大。如果采用嵌入式的設計方案,可以實現同樣的功能,并且具有低成本,低功耗的特點。

普通的低成本嵌入式處理器性能不高,不足以實現多路語音的實時編碼、解碼,需要用專門的語音處理芯片完成這一工作。基于DSP自主設計語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網關中,價格低廉,是一種很好的替代方案。同時AC48304還具有DTMF識別和靜音檢測等功能,便于實現電話號碼識別和語音的自動記錄。

ARM是一種應用廣泛的嵌入式處理器,Samsung、Atmel等廠家生產的ARM處理器接口豐富,技術支持全面。ARM處理器價格低、性價比高,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。在本多路語音記錄器中,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

語音記錄器包括語音處理模塊、ARM系統模塊、硬盤記錄模塊、網絡接口模塊幾個部分。為使系統配置靈活,將系統設計為主控板和擴展板兩個部分,在主控板上實現16路語音通道,另設計一個16通道的語音擴展板,整個系統可以用4的倍數進行語音通道的擴展,最多達到32個語音通道。計算機控制部分集成S3C2410 處理器、64MB SDRAM及16MB 的FLASH,構成一個嵌入式小系統。

語音CODEC采用AMD的LE58QL021,該器件是3.3V單電壓用戶線語音處理器,在小型語音網關中是AC48304的常用搭配,支持4通道語音AD/DA,支持E1 PCM Highway,能與AC48304實現無縫連接。LE58QL021的工作模式可軟件編程控制,ARM通過MPI(Microprocessor Interface)串行控制總線設置LE58QL021的各種工作參數。

基于DM9000網絡控制器,系統實現10/100Mbps自適應以太網接口,Linux操作系統提供設備驅動支持。IDE接口則是由一片CPLD實現,硬盤用于語音的本地記錄。主要部分電路原理見圖1。



圖1 語音處理模塊的硬件電路原理圖

3. AC48304語音處理器

AC48304是AudioCodes公司基于DSP設計的一個四通道語音處理器,支持多種標準、多種碼率的G系列語音編碼器,如G.723.1,G.711,G.726和G.729等,支持T.38傳真中繼和其他語音信號處理功能。在系統中,ARM通過CPU局部總線實現對AC48304的控制及數據交換。AC48304與LE58QL021之間通過E1 PCM Highway接口實現多通道數字語音接口。E1接口由2.048Mhz時鐘驅動,有0"31共32個8位時隙,工作時序如圖2所示。



圖2 PCM Highway時序

AC48304是一種專用的語音處理DSP芯片,需要運行相應的DSP程序。正常運行前, AC48304有兩個程序需要下載:kernel(內核)程序和application(應用)程序。kernel程序是個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狀態:空閑狀態和激活狀態,用戶只能在空閑狀態改變芯片的工作參數。

4. 軟件設計

4.1Linux中的驅動程序設計

操作系統采用的是嵌入式Linux操作系統。Linux具有效率高、內核小的優點,且開放源代碼,完全免費。在Linux操作系統下,應用程序不能直接訪問硬件,盡管Linux在ARM平臺上有較完整的板級支持包,但在該系統的開發工作中仍然要完成部分設備的驅動程序設計,包括AC48304驅動程序、LE58QL021驅動程序、S-EEPROM驅動程序等。

設備驅動程序要為應用軟件提供設備打開、關閉、設備控制及數據讀/寫等接口, 即一些類似于open、close、read和write的函數,在主程序中直接采用文件讀寫的方式實現數據的收發。LE58QL021與ARM處理器之間采用MPI串行控制總線,MPI驅動接口結構定義如下:  

static file_operations mpi_ctl_fops = {

ioctl:mpi_ctl_ioctl, //設備控制

open:mpi_open, //打開設備

close:mpi

_ close, //關閉設備

}

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行數據讀寫。編寫驅動程序的時候,必須提供兩個函數,一個是module_init(),insmod在加載此模塊的時候自動調用,負責進行設備驅動程序的初始化工作,一個函數是module_exit,在模塊被卸載時調用,負責進行設備驅動程序的清除工作。

4.2 AC48304的數據讀寫實現

每個AC48304可同時進行4個通道的語音編/解碼,片內有數據緩存區,編碼后的語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音編碼格式的相關參數。其中G.711的A/u律數據量最大為64kbps,每個通道每秒有8000字節的數據,而AC48304的數據讀取區的有效量為80字節,即每秒鐘要進行100次的讀取操作,對每個AC48304而言每秒鐘要進行400次讀取操作才能保證數據及時讀取。由于語音編碼包是以恒定的速率產生的,因此每2.5毫秒必須對DSP進行一次讀取操作。本平臺的Linux內核中,進
程調度算法的時間單位為10毫秒,在進程中執行數據的讀取操作很難保證數據及時讀取,如果某個服務進程或者是本進程中的某個控制操作執行時間過長,就會造成語音數據的丟失。

表1:語音數據特性


Linux中程序運行的環境分為內核空間和用戶空間,內核空間的程序優先級高于用戶空間。為保證編碼數據被及時讀取,需在內核級別的進程中定時讀取AC48304產生的數據。有兩種方式可將用戶程序加入到內核空間中運行:修改Linux內核源代碼,直接將用戶程序代碼編譯到內核中;利用Linux的模塊機制,動態的將用戶程序代碼添加到內核空間中運行。第一種方法實現難度比較大,而且容易出錯。第二種方法實現難度小,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程序進行設計,使用insmod命令動態加載到內核中去,在定時中斷的服務函數中讀取AC48304的數據。S3C2410中有5個用戶可編程的時鐘中斷,中斷優先級別高,中斷的頻率可編程控制,其中時鐘中斷Timer3已用于DMA控制,Tmer4用于進程調度。本系統的程序設計中使用Timer2,通過配置相關控制寄存器將Timer2的中斷頻率設為500HZ,適當的增加讀取查詢操作頻率,保證數據及時讀取。中斷服務函數是由內核來執行的,優先級高于用戶程序,可保證讀取操作的實時性。為AC48304的每個通道分配一個數據緩沖區,定時中斷函數中讀取的數據先保存在緩沖區中,用戶程序通過讀取該緩沖區獲得語音數據,這樣對外部用戶而言,語音數據沒有丟失,語音延遲在毫秒級別,完全可以滿足需求。

4.3 應用軟件設計

將應用程序及驅動程序文件加入文件系統中,修改有關啟動的配置文件,使得系統啟動完畢時自動加載目標程序,這樣每次設備啟動時將自動進入應用程序。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,配置表可以通過串口終端或者網絡在線配置。

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

u 語音數據讀寫:通過DSP的HPI總線讀取DSP數據實現語音采集,通過HPI把數據寫入DSP實現語音回放。

u 數據存儲:根據錄音計劃將需要錄音的語音數據保存到硬盤中。

u 命令處理:包括選擇語音通道命令、回放命令、校時命令、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

本記錄器最多支持32路語音實時處理,在硬盤上實現長時間錄音,并可通過10/100Mbps以太網實現數據上傳和管理。經測試本記錄器可以很好的完成語音數據的采集、壓縮、存儲、解壓縮和回放,內核級別的用戶進程運行正常,保證了整個系統的實時性。該語音記錄器具有低成本、低功耗、結構精簡、使用簡單的特點,具有很好的實用價值。

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