基于USB总线的多路电话录音系统

摘要 介绍一种基于通用串行总线（USB）的多路电话录音系统的实现方法。系统采用内部集成USB控制器的高性能的C8051F320微控制器作为控制芯片，硬件实现简单；软件采用Silicon Laboratories公司提供的 USBXpress软件包进行开发设计，方便快捷，录音效果很好。

关键词 通用串行总线（USB） C8051F320 多路电话录音 USBXpress

1 概述

　　现在市场上的录音系统大致可分为电话录音卡和电话录音盒两种。电话录音卡是以板卡的形式插入电脑主板插槽与主机连接的，安装极为不便。大部分的录音卡为PCI插槽形式，不仅价格昂贵，而且受计算机插槽数量、地址及中断资源的限制，可扩展性较差。尤其是在电磁干扰较强的环境中，无法专门对其作电磁屏蔽,容易导致数据丢失，使声音失真。电话录音盒一般为外置式设备，通过接口线直接接入计算机外置接口，使用非常方便；但是，计算机提供的接口毕竟有限，传统的串并口都是点对点连接，即一个接口只能支持一个设备，而且串并口一般不能满足系统的实时性要求。在这种情况下，采用USB作为录音系统的接口，是一个相当好的选择。设计一种基于USB接口技术的电话录音系统，不仅充分利用USB规范的各种优越条件，很好地解决了上述问题，而且具有支持即插即用、使用方便的功能，市场前景广阔。

　　本文阐述一种基于USB总线的多路电话录音系统的实现方法，录音系统采用高性能的混合信号微控制器芯片C8051F320作为控制器内核。该微控制器内部集成有USB控制器来控制USB的传输，简化了系统硬件电路的设计；软件方面利用Cygnal/Silicon Laboratories公司提供的USBXpress软件开发包进行PC端应用程序和微控制器端固件程序的编程。该方法充分利用已有资源，开发简单，易于实现。 录音系统采用外置录音盒的形式，连接在电脑的USB接口上，并连上要管理的电话线，即插即用,无须外接电源，可热插拔，使用方便。录音系统以软硬件相结合的方式对电话进行录音，并将录音文件录制于电脑硬盘，弥补了传统电话录音时间短、不便管理、声卡采集器录音不稳定的缺陷。

2  系统的硬件实现

2．1  USB总线及C8051F320微控制器简介

　　通用串行总线(USB)是近年来发展起来的一种新的总线接口技术，以其低成本、高速度、易扩展、支持热插拔和即插即用等一系列优点，获得了迅猛发展。USB接口已经和串口/并口一样，成为PC机的标准接口。USB2.0接口的最高传输速度可达480 Mbps，远远高于传统的串/并接口，可以满足绝大部分情况下大数据量实时传输的要求。USB接口采用树型拓扑结构，一个USB接口可以最多连接127个设备，由于单独使用自己保留的中断，因此基于USB的通信克服了通常串并口通信中遇到的IQR冲突问题。另外,USB接口支持热插拔的特性，极大地方便了系统的开发调试和实际应用；USB设备不需要单独的电源，只需用计算机或集线器提供电源。

　　C8051F320是Cygnal公司推出的一款具有全速USB功能的混合信号Flash微控制器。芯片内部集成有2 304字节的RAM和16 KB的Flash存储器；具有较快的处理速度和较大的存储容量，而且具有在系统可编程的功能。实际上，C8051F320是一个完整的小型片上系统（SoC）。C8051F320具有以下特点：

　　全速的USB2.0功能控制器；
　　可支持8个USB端点；
　　带有1 KB的USB缓冲存储器；
　　内部集成了USB接口的数据收发器，设计中无需外部上拉电阻；
　　具有高速增强性8051 MCU内核，该MCU内核采用流水线式指令结构，处理速度可达25 MIPS（时钟频率为25 MHz时）。

　　基于上述特点，录音系统采用了C8051F320微控制器芯片。

2.2  系统的硬件构成

　　录音系统实现四路电话同时录音。系统总体框架如图1所示。

图1  系统总体框架

　　录音盒内部为以C8051F320微控制器芯片为核心的单片机系统；通过USB电缆与主机连接；微控制器芯片的P0～P3四个端口用于输入电话线路产生的直流信号，以获取电话线路的状态；P4～P7四个端口用于输入电话线路产生的交流信号，即语音信号，然后通过A/D转换器转换为数字信号，作为USB传输的录音数据。

　　系统所采用的A/D转换器为C8051F320微控制器内部集成，具有10位精度，最高采样率可达200 ksps。

3  系统的软件实现

　　系统的软件基于Silicon Laboratories公司提供的USBXpress软件开发包开发设计，USBXpress通过动态链接库和库函数提供应用程序接口。由于USBXpress已提供有设备的驱动程序，因而，开发的主要任务是下位机固件程序和上位机应用程序的开发。

3.1  USBXpress软件开发包

　　USBXpress软件开发包包括Windows公司设备驱动程序、INF驱动安装文件、主机接口函数库（以Windows DLL的形式提供）以及设备固件接口函数库。

　　录音系统使用到的主机接口函数为：

　　F32x_GetNumDevices( )返回主机所连接的USB设备的个数
　　F32x_GetProductString( )返回所连USB设备的描述符
　　F32x_Open( )打开USB设备
　　F32x_Close( )关闭USB设备
　　F32x_Read( )读设备
　　F32x_Write( )写设备
　　F32x_SetTimeouts()设置读/写超时值
　　F32x_GetTimeouts()获取读/写超时值
　　F32x_CheckRXQueue()返回设备接收队列的字节数

　　录音系统使用到的设备固件接口函数：

　　USB_init()使能USB接口
　　Block_Write()写缓冲区数据，通过USB送入主机
　　Block_Read()读主机通过USB送至设备的缓冲区数据
　　Get_Interrupt_Source()返回主机API中断源以进行相应的处理
　　USB_Int_Enable()API中断使能
　　USB_Int_Disable()禁止API中断
　　USB_Disable()禁止USB接口使能
　　USB_Suspend()暂停USB接口

　　通过这些主机和设备接口函数，即可方便地进行主机应用程序和设备端固件程序的编制了。

3.2  设备固件程序的实现

　　系统选择 Keil C作为固件开发环境，并采用C语言和汇编语言相结合的方式。

　　固件程序把有关USB功能的固件设计成完全的中断驱动，ISR(中断服务程序)和后台主程序的数据交换通过事件标志和数据缓冲区来进行。主循环负责初始化I/O口、定时器和中断以及重新连接到USB总线，然后检测事件标志来对各种事件进行处理。其中后台程序采用C51高级语言编写，A/D转换完成中断子程序采用ASM51汇编语言编写。

　　固件程序调用USBXpress提供的固件接口函数来实现通过USB传输数据的功能，定义一个中断号为16的中断服务函数以响应USB中断。该ISR以如下形式调用：

void USB_API_ISR(void) interrupt 16 {
　　BYTEINTVAL=Get_Interrupt_Source();
　　if(INTVAL&TX_COMPLETE) {
　　　　Block_Write(In_Packet, …);
　　}
　　if(INTVAL&RX_COMPLETE) {
　　　　Block_Read(Out_Packet, …);
　　}
　　if(INTVAL&DEV_CONFIGURED) {
　　}
　　if(INTVAL&DEV_SUSPEND) {
　　　　USB_Suspend();
　　}
}

　　固件程序的主要工作是通过A/D转换使接入的4路电话模拟信号转换为数字信号，以便于传输及存储。程序采用定时器0溢出启动A/D转换的方式，依次以一定的采样速率（11 025 kbps）对交流通道（通道1、2、3、4，语音信号）采样，并每间隔一定时间对直流通道（通道5、6、7、8，电话状态）进行采样。A/D转换完成中断子程序用汇编语言编写，其大致框架为：

ADC_INT: CLRAD0INT；清ADC中断位
　　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:;查询电话状态
　　MOV ADC_COUNTER,#1
　　;将ADC切换至通道4
　　JMP ADC_INT_END
ADC_0:;读取电话1语音信号
　　;将ADC切换至通道5
　　JMP ADC_INT_END
ADC_1:;读取电话2语音信号
　　;将ADC切换到通道6
　　JMP ADC_INT_END
ADC_2:;读取电话3语音信号
　　;将ADC切换到通道7
　　JMP ADC_INT_END
ADC_3:;读取电话4语音信号
　　;将ADC切换至通道8
ADC_3_1:DEC A
　　JNZ ADC_3_2
　　;将ADC切换至通道1
　　JMP ADC_INT_END
ADC_3_2:DEC A
　　JNZADC_3_3
　　;将ADC切换至通道2
　　JMP ADC_INT_END
ADC_3_3:;将ADC切换至通道3
ADC_INT_END:INCADC_COUNTER
　　POPDPL
　　POPDPH
　　POPB
　　POPPSW
　　POPACC
　　RETI

3.3  上位机应用程序的设计

　　系统选用 Visual C++ 6.0进行上位机应用程序的开发。程序采用多线程的思想，主线程为用户界面线程，负责应用程序与用户的交互；另外开辟一个工作线程，用于USB数据的传输。应用程序首先通过USBXpress提供的接口函数F32x_GetNumDevices()来取得当前连接的USB设备数。然后，根据获得的标识号利用接口函数F32x_Open()打开相应设备，并获得设备的句柄作为USB设备的标识。该句柄在程序中是独一无二的。这样，就可以调用F32x_Read()和F32x_Write()接口函数来读/写设备，控制数据的传输。为了准确读取录音数据，USBXpress提供了接口函数F32x_CheckRXQueue()来返回设备接收队列中的字节数，以确保录音数据的无差错传输。录音数据以PCM的格式存储在电脑硬盘中。

结语

　　该电话录音系统基于Silicon Laboratories公司提供的USBXpress软件开发包开发设计。开发调试简单、快捷，实现了四路电话同时录音，录音清晰，并实现了电话监听功能。通过对基于USB的多路电话录音系统的调试测试,证明了它不仅实现了基本的录音功能，达到了很好的录音效果，而且克服了以往传统方法的缺陷,实现了真正意义上的即插即用，极大地方便了用户使用。

参考文献

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[2]  陶楚良．数据采集系统及其部件．北京：北京工业学院出版社，1999.
[3]  马忠梅．单片机的Ｃ语言应用程序设计．北京：北京航空航天大学出版社，2004.
[4]  陈连坤．嵌入式系统的设计与开发．北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2005.

靳超伟（硕士），主要研究方向为嵌入式系统；
陈连坤（副教授）。

（收修改稿日期：2006-07-02）