采用ARM9处理器S3C2410的数字多路语音记录器设计

1． 引言

数字多路语音记录器在安全、监控方面有很多应用。一些传统的设计方案基于工控机，用数据采集卡实现语音的A/D转换，用软件实现语音编解码，这种方案成本高、功耗大。如果采用嵌入式的设计方案，可以实现同样的功能，并且具有低成本，低功耗的特点。

普通的低成本嵌入式处理器性能不高，不足以实现多路语音的实时编码、解码，需要用专门的语音处理芯片完成这一工作。基于DSP自主设计语音编码器是一种方法，但工作量大。AC48304广泛应用于各种小型VOIP网关中，价格低廉，是一种很好的替代方案。同时AC48304还具有DTMF识别和静音检测等功能，便于实现电话号码识别和语音的自动记录。

ARM是一种应用广泛的嵌入式处理器，Samsung、Atmel等厂家生产的ARM处理器接口丰富，技术支持全面。ARM处理器价格低、性价比高，向下取代了大量单片机的应用，向上渗透高端嵌入式处理器的市场。在本多路语音记录器中，采用了Samsung的ARM9处理器S3C2410，操作系统则采用了嵌入式linux。

2． 系统结构

语音记录器包括语音处理模块、ARM系统模块、硬盘记录模块、网络接口模块几个部分。为使系统配置灵活，将系统设计为主控板和扩展板两个部分，在主控板上实现16路语音通道，另设计一个16通道的语音扩展板，整个系统可以用4的倍数进行语音通道的扩展，最多达到32个语音通道。计算机控制部分集成S3C2410 处理器、64MB SDRAM及16MB 的FLASH，构成一个嵌入式小系统。

语音CODEC采用AMD的LE58QL021，该器件是3.3V单电压用户线语音处理器，在小型语音网关中是AC48304的常用搭配，支持4通道语音AD/DA，支持E1 PCM Highway，能与AC48304实现无缝连接。LE58QL021的工作模式可软件编程控制，ARM通过MPI（Microprocessor Interface）串行控制总线设置LE58QL021的各种工作参数。

基于DM9000网络控制器，系统实现10/100Mbps自适应以太网接口，Linux操作系统提供设备驱动支持。IDE接口则是由一片CPLD实现，硬盘用于语音的本地记录。主要部分电路原理见图1。



图1 语音处理模块的硬件电路原理图

3． AC48304语音处理器

AC48304是AudioCodes公司基于DSP设计的一个四通道语音处理器，支持多种标准、多种码率的G系列语音编码器，如G.723.1，G.711，G.726和G.729等，支持T.38传真中继和其他语音信号处理功能。在系统中，ARM通过CPU局部总线实现对AC48304的控制及数据交换。AC48304与LE58QL021之间通过E1 PCM Highway接口实现多通道数字语音接口。E1接口由2.048Mhz时钟驱动，有0"31共32个8位时隙，工作时序如图2所示。



图2 PCM Highway时序 [page]

AC48304是一种专用的语音处理DSP芯片，需要运行相应的DSP程序。正常运行前， AC48304有两个程序需要下载：kernel（内核）程序和application（应用）程序。kernel程序是个只有几百字节的小程序，完成DSP的初始化工作，为下载应用程序做准备。application程序则完成AC48304的所有功能，在kernel程序程序下载完成后，才可以下载application程序。AC48304有4个工作模式：内核下载模式、程序下载模式、初始化模式、运行模式。其中运行模式有两个状态：空闲状态和激活状态，用户只能在空闲状态改变芯片的工作参数。

4． 软件设计

4．1Linux中的驱动程序设计

操作系统采用的是嵌入式Linux操作系统。Linux具有效率高、内核小的优点，且开放源代码，完全免费。在Linux操作系统下，应用程序不能直接访问硬件，尽管Linux在ARM平台上有较完整的板级支持包，但在该系统的开发工作中仍然要完成部分设备的驱动程序设计，包括AC48304驱动程序、LE58QL021驱动程序、S-EEPROM驱动程序等。

设备驱动程序要为应用软件提供设备打开、关闭、设备控制及数据读/写等接口， 即一些类似于open、close、read和write的函数，在主程序中直接采用文件读写的方式实现数据的收发。LE58QL021与ARM处理器之间采用MPI串行控制总线，MPI驱动接口结构定义如下：  

static file_operations mpi_ctl_fops = {

ioctl:mpi_ctl_ioctl, //设备控制

open:mpi_open, //打开设备

close:mpi

_ close, //关闭设备

}

linux提供ioremap函数将I/O内存资源的物理地址映射到核心虚地址空间，然后可像操作寄存器那样进行数据读写。编写驱动程序的时候，必须提供两个函数，一个是module_init()，insmod在加载此模块的时候自动调用，负责进行设备驱动程序的初始化工作，一个函数是module_exit，在模块被卸载时调用，负责进行设备驱动程序的清除工作。

4．2 AC48304的数据读写实现

每个AC48304可同时进行4个通道的语音编/解码，片内有数据缓存区，编码后的语音数据先存储在各通道的缓存区，然后依次拷贝到输出缓冲区。表1为本系统支持的几种主要语音编码格式的相关参数。其中G.711的A/u律数据量最大为64kbps，每个通道每秒有8000字节的数据，而AC48304的数据读取区的有效量为80字节，即每秒钟要进行100次的读取操作，对每个AC48304而言每秒钟要进行400次读取操作才能保证数据及时读取。由于语音编码包是以恒定的速率产生的，因此每2.5毫秒必须对DSP进行一次读取操作。本平台的Linux内核中，进
程调度算法的时间单位为10毫秒，在进程中执行数据的读取操作很难保证数据及时读取，如果某个服务进程或者是本进程中的某个控制操作执行时间过长，就会造成语音数据的丢失。

表1：语音数据特性


Linux中程序运行的环境分为内核空间和用户空间，内核空间的程序优先级高于用户空间。为保证编码数据被及时读取，需在内核级别的进程中定时读取AC48304产生的数据。有两种方式可将用户程序加入到内核空间中运行：修改Linux内核源代码，直接将用户程序代码编译到内核中；利用Linux的模块机制，动态的将用户程序代码添加到内核空间中运行。第一种方法实现难度比较大，而且容易出错。第二种方法实现难度小，效果与第一种相同，本系统中采用的是第二种方法。

将AC48304的读取操作作为驱动程序进行设计，使用insmod命令动态加载到内核中去，在定时中断的服务函数中读取AC48304的数据。S3C2410中有5个用户可编程的时钟中断，中断优先级别高，中断的频率可编程控制，其中时钟中断Timer3已用于DMA控制，Tmer4用于进程调度。本系统的程序设计中使用Timer2，通过配置相关控制寄存器将Timer2的中断频率设为500HZ，适当的增加读取查询操作频率，保证数据及时读取。中断服务函数是由内核来执行的，优先级高于用户程序，可保证读取操作的实时性。为AC48304的每个通道分配一个数据缓冲区，定时中断函数中读取的数据先保存在缓冲区中，用户程序通过读取该缓冲区获得语音数据，这样对外部用户而言，语音数据没有丢失，语音延迟在毫秒级别，完全可以满足需求。 [page]

4．3 应用软件设计

将应用程序及驱动程序文件加入文件系统中，修改有关启动的配置文件，使得系统启动完毕时自动加载目标程序，这样每次设备启动时将自动进入应用程序。主程序流程如图3所示，主程序的功能主要是：

u 系统配置：系统的配置表存储在一片S-EEPROM中，配置表可以通过串口终端或者网络在线配置。

u 初始化系统：包括向DSP下载内核程序和应用程序，启动DSP及LE58QL021等。

u 语音数据读写：通过DSP的HPI总线读取DSP数据实现语音采集，通过HPI把数据写入DSP实现语音回放。

u 数据存储：根据录音计划将需要录音的语音数据保存到硬盘中。

u 命令处理：包括选择语音通道命令、回放命令、校时命令、增益调节命令、配置表传输命令、录音数据上传命令等。



图3.主程序流程图

5． 结束语

本记录器最多支持32路语音实时处理，在硬盘上实现长时间录音，并可通过10/100Mbps以太网实现数据上传和管理。经测试本记录器可以很好的完成语音数据的采集、压缩、存储、解压缩和回放，内核级别的用户进程运行正常，保证了整个系统的实时性。该语音记录器具有低成本、低功耗、结构精简、使用简单的特点，具有很好的实用价值