基于IDE硬盘的大容量语音记录仪

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摘要：介绍一种基于IDE硬盘的大容量语音记录仪的设计方法，重点阐述了大容量语音记录仪的硬件和软件设计。

    关键词：大容量语音记录仪 单片机 IDE D6571E PIO

随着我国经济建设的迅猛发展，公安、铁路、民航、金融等部门对语音记录的需求不断增长。用户经常需要回放时间长达几个月、甚至几年的大容量语音记录仪，而目前国内可见到的语音记录仪大多只能连续记录几百小时（即一个月左右）。而大容量的语音记录仪一般是基于PC机，设备体积较大，使用不便。近年来作为数据存储介质的硬盘，以其容量大、接口智能化程度高、控制方便越来越受到人们的重视。充分发挥硬盘的优势，脱离系统主机，可以为用户开发出超大存储容量、性能可靠的语音记录仪。

本文提出了采用单片机控制硬盘对语音数据进行实时存储的方案。其最大优点是可记录语音时间长达几个月甚至几年，并能达到较高的性能指标。

甚至IDE硬盘的大容易语音记录仪的特点：

(1) 以单片机为核心，采用PIO模式进行硬盘的读写，可大大提高系统的性能价格比，使得语音记录时间长达1500小时（6GB硬盘）。若换用更大容量硬盘，可实现更长语音记录时间，达到连续工作几个月甚至几年的要求。

(2) 采用DSP芯片D6517E，其语音压缩算法采用TRUESPEECH Triple Rate Coder，8kHz采样频率下语音压缩速率为9.6、7.2或4.4kbps，MOS指标可达到3.98。

(3) 采用大规模可编程逻辑器件CPLD对系统数字逻辑电路进行集成，提高了系统的稳定性和可靠性，具有较好的通用性，可满足多种场合的需要，不需改动任何硬件。

(4) 预留远程调度电话接口，可实现远程监听、查询等功能。

(5) 由于采用4层PCB线路板设计、表贴工艺和超薄笔记本硬盘，使得基于IDE硬盘的大容量语音记录仪体积如普通电话机大小，可实现对一路电话进行高阻并联录音，并可在本机播放记录语音和远程调度记录语音。

图1 D6571E的典型应用电路

1 系统硬件设计

1.1 D6571E芯片

在本系统中，选择DSP芯片D6571E,其语音压缩算法采用TRUESPEECH Triple Rate Coder。由于该算法的实时运算需要22MIPS以上的运算速度，为此将DSP内核和算法代码集成在D6571E芯片内。D6571E的典型应用电路如图1所示。

D6571E具有16位宽的总线，但也允许以分时方式使用8位总线，这时CPU须用HI/LO信号表示送到总线上的是高8位还是低8位；当D6571E主动将数据送到总线上时，会发出ACK信号通知CPU读取数据。HSTRD和HSTWR则是读和写的控制线。由于TRUE-SPEECH Triple Rate Coder算法按30ms分帧采样，然后进行分析压缩，因此无论是读取压缩数据还是因送压缩数据，均必须在一帧内完成，否则D6571E会自行进入休眠状态。向D6571E输送语音数据的过程如下：首先送出解压控制命令，然后接收一个回送状态字，状态字中包含了当前帧所需要的字节数，CPU就连续送出规定数目的数据，待一帧处理完毕后,D6571E会继续送出状态字，如此循环就可连续回放语音了。而利用D6571E进行语音压缩的数据处理过程正好相反，状态字中包含的是当前帧压缩所得到的字节数，CPU应连接接收规定数目的数据。

D6571E芯片具备工业标准的编解码器接口，可直接与串行PCM接口的音频编解码芯片相连，如美国国家半导体的TP3054（μ律）、TP3057（A律）等。本系统设计中音频编解码接口芯片采用了TP3057。TP3057工作所需的同步脉冲、采样时钟、数据信号等只需与D6571E的4根控制线相连即可得到。

由于D6571E的控制命令很丰富，在大容量语音记录仪的设计中，笔者利用D6571E实现数字音量控制、自动增益控制、变速回放、双音频信号产生和鉴别、来电显示等功能，省去了不少功能芯片、线路板面积，使昨最终设计成型的大容量语音记录仪体积如普通电话机大小。

1.2 IDE硬盘的控制

利用单片机控制现有的硬盘，可极大地提高系统的性能价格比，因此本系统采用单片机控制硬盘进行语音数据的存储。

图2 DK23AA-60硬盘引脚及定义

    IDE接口的硬盘驱动器提供了两种数据传输模式：PIO模式和DMA模式。由于PIO模式控制相对容易，提供了一种编程控制输入/输出的快速传输方法。该模式采用高速的数据块I/O，以扇区为单位，用中断请求方式与CPU进行批量数据交换。在扇区读写操作时，一次按16位长度通过内部的高速PIO数据寄存器传输。通常情况下，数据传输以扇区为单位，每传输一扇区数据产生一个中断。由于本系统语音压缩数据的最大速率只有9.6kbps，而相关资料报道采用PIO写盘速度可以达到192kbps，完全可以满足本系统的要求。

本系统采用Hitachi（日立）公司DK23AA-60型号的笔记本硬盘。它具有6GB的存储容量，厚度仅有9.6mm，它的引脚及定义如图2所示。

IDE接口是一种任务寄存器结构的接口，所有输入输出操作均通过对相应寄存器的读写完成。IDE硬盘驱动器中的寄存器及地址分配见表1。表2为状态寄存器，它反映了硬盘驱动器执行命令后的状态。

表1 IDE硬盘驱动器中的寄存器及地址分配

地       址					寄存器名及功能
CS1FX	CS3FX	DA2	DA1	DA0	读操作	写操作
0	1	0	0	0	数据寄存器
0	1	0	0	1	错误寄存器	特性寄存器
0	1	0	1	0	扇区数寄存器
0	1	0	1	1	扇区号寄存器
0	1	1	0	0	柱面号寄存器：低字节
0	1	1	0	1	柱面号寄存器：高字节
0	1	1	1	0	驱动器/磁头寄存器
0	1	1	1	1	状态寄存器	命令寄存器

表02 状态寄存器

D7	D6	D5	D4	D3	D2	D1	D0
BSY	DRDY	DWF	DSC	DRQ	CORR	IDX	ERR

状态寄存器中各位定义如下：

BSY：驱动器忙；

DRDY：驱动器准备好；

DWF：驱动器写失败；

DSC:寻道结束；

DRQ：请求服务，驱动器希望通过数据寄存器与CPU交换一字节数据；

CORR：当可以纠正的读错误发生时，该位置1，数据传输将继续进行；

IDX：收到综引信号；

ERR：命令执行出错。

在向硬盘驱动器发出命令前，必须先检测硬盘驱动器是否忙碌（D7=1）。如果在规定时间内硬盘驱动器一直忙碌，则置超时错；否则表示硬盘驱动器空闲，可接受命令。

如果CPU要对硬盘写数据，首先CPU把必要的参数写入对应的地址寄存器，等待DRDY有效；然后将操作码写入命令寄存器，同时驱器设置状态寄存器的DRQ位，表示准备好接收数据，CPU通过数据寄存器将数据写入扇区缓冲区；当扇区缓冲区填满后，驱动器清除DRQ位，并置位BSY，驱动器将扇区缓冲区中数据写入磁盘；当写盘结束，清除BSY位，发中断请求信号DNTRQ；CPU接收到中断信号后，读驱动器状态寄存器，同时将中断信号INTRQ撤除。

如果CPU要对硬盘进行读数据操作，首先把参数写入地址寄存器和特性寄存器（如果需要）；然后把命令码写入命令寄存器，命令开始执行。这时驱动器置状态寄存器中的BSY为1，同时将硬盘上指定扇区内的数据送入扇区缓冲区。当扇区缓冲区准备好数据后，置位DRQ，清BSY，发中断请求信号INTRQ。CPU检测到中断后，读取状态寄存器，测试ERR位，若等于1则转入出错处理；否则DRQ位为1，CPU从扇区缓冲区读取数据，数据读完后，驱动器复位DRQ位，然后驱动器重新设置BSY位。

1.3 工作原理

基于IDE硬盘的大容量语音记录仪主要由单片机，D6571E、IDE接口笔记本硬盘、A律编解码芯片TP3057、可编程逻辑器件MAX7128S、160×32LCD模块、键盘、时钟芯片、振铃检测芯片TCM1520A、电话线接口和电源等部分组成，系统原理框图如图3所示。
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