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。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TRUESPEECH Triple Rate Coder，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1 D6571E的典型應用電路
1 系統硬件設計
1.1 D6571E芯片
在本系統中，選擇DSP芯片D6571E,其語音壓縮算法采用TRUESPEECH Triple Rate Coder。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-SPEECH Triple Rate Coder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。
1.2 IDE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2 DK23AA-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1 IDE硬盤驅動器中的寄存器及地址分配
表02 狀態寄存器
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