基于AC48304的嵌入式多路語音記錄器

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。
本文作者創新點：采用嵌入式實現系統設計，操作系統及應用軟件完全固化在FLASH中，實現了高穩定性；相對基于工控機的語音記錄器，本文設計的系統具有低成本、低功耗的特點；在本文中創新性地將VOIP語音處理器AC-48304應用在多路語音記錄器中；在軟件是設計中，在LINUX操作系統內核空間實現數據采集功能，從而保證了系統數據采集的實時性要求。