摘要 介紹一種基于通用串行總線（USB）的多路電話錄音系統的實現方法。系統采用內部集成USB控制器的高性能的C8051F320微控制器作為控制芯片，硬件實現簡單；軟件采用Silicon Laboratories公司提供的 USBXpress軟件包進行開發設計，方便快捷，錄音效果很好。

關鍵詞 通用串行總線（USB） C8051F320 多路電話錄音 USBXpress

1 概述

　　現在市場上的錄音系統大致可分為電話錄音卡和電話錄音盒兩種。電話錄音卡是以板卡的形式插入電腦主板插槽與主機連接的，安裝極為不便。大部分的錄音卡為PCI插槽形式，不僅價格昂貴，而且受計算機插槽數量、地址及中斷資源的限制，可擴展性較差。尤其是在電磁干擾較強的環境中，無法專門對其作電磁屏蔽,容易導致數據丟失，使聲音失真。電話錄音盒一般為外置式設備，通過接口線直接接入計算機外置接口，使用非常方便；但是，計算機提供的接口畢竟有限，傳統的串并口都是點對點連接，即一個接口只能支持一個設備，而且串并口一般不能滿足系統的實時性要求。在這種情況下，采用USB作為錄音系統的接口，是一個相當好的選擇。設計一種基于USB接口技術的電話錄音系統，不僅充分利用USB規范的各種優越條件，很好地解決了上述問題，而且具有支持即插即用、使用方便的功能，市場前景廣闊。

　　本文闡述一種基于USB總線的多路電話錄音系統的實現方法，錄音系統采用高性能的混合信號微控制器芯片C8051F320作為控制器內核。該微控制器內部集成有USB控制器來控制USB的傳輸，簡化了系統硬件電路的設計；軟件方面利用Cygnal/Silicon Laboratories公司提供的USBXpress軟件開發包進行PC端應用程序和微控制器端固件程序的編程。該方法充分利用已有資源，開發簡單，易于實現。 錄音系統采用外置錄音盒的形式，連接在電腦的USB接口上，并連上要管理的電話線，即插即用,無須外接電源，可熱插拔，使用方便。錄音系統以軟硬件相結合的方式對電話進行錄音，并將錄音文件錄制于電腦硬盤，彌補了傳統電話錄音時間短、不便管理、聲卡采集器錄音不穩定的缺陷。

2? 系統的硬件實現

2．1? USB總線及C8051F320微控制器簡介

　　通用串行總線(USB)是近年來發展起來的一種新的總線接口技術，以其低成本、高速度、易擴展、支持熱插拔和即插即用等一系列優點，獲得了迅猛發展。USB接口已經和串口/并口一樣，成為PC機的標準接口。USB2.0接口的最高傳輸速度可達480 Mbps，遠遠高于傳統的串/并接口，可以滿足絕大部分情況下大數據量實時傳輸的要求。USB接口采用樹型拓撲結構，一個USB接口可以最多連接127個設備，由于單獨使用自己保留的中斷，因此基于USB的通信克服了通常串并口通信中遇到的IQR沖突問題。另外,USB接口支持熱插拔的特性，極大地方便了系統的開發調試和實際應用；USB設備不需要單獨的電源，只需用計算機或集線器提供電源。

　　C8051F320是Cygnal公司推出的一款具有全速USB功能的混合信號Flash微控制器。芯片內部集成有2 304字節的RAM和16 KB的Flash存儲器；具有較快的處理速度和較大的存儲容量，而且具有在系統可編程的功能。實際上，C8051F320是一個完整的小型片上系統（SoC）。C8051F320具有以下特點：

　　全速的USB2.0功能控制器；
　　可支持8個USB端點；
　　帶有1 KB的USB緩沖存儲器；
　　內部集成了USB接口的數據收發器，設計中無需外部上拉電阻；
　　具有高速增強性8051 MCU內核，該MCU內核采用流水線式指令結構，處理速度可達25 MIPS（時鐘頻率為25 MHz時）。

　　基于上述特點，錄音系統采用了C8051F320微控制器芯片。

2.2? 系統的硬件構成

　　錄音系統實現四路電話同時錄音。系統總體框架如圖1所示。

圖1? 系統總體框架

　　錄音盒內部為以C8051F320微控制器芯片為核心的單片機系統；通過USB電纜與主機連接；微控制器芯片的P0～P3四個端口用于輸入電話線路產生的直流信號，以獲取電話線路的狀態；P4～P7四個端口用于輸入電話線路產生的交流信號，即語音信號，然后通過A/D轉換器轉換為數字信號，作為USB傳輸的錄音數據。

　　系統所采用的A/D轉換器為C8051F320微控制器內部集成，具有10位精度，最高采樣率可達200 ksps。

3? 系統的軟件實現

　　系統的軟件基于Silicon Laboratories公司提供的USBXpress軟件開發包開發設計，USBXpress通過動態鏈接庫和庫函數提供應用程序接口。由于USBXpress已提供有設備的驅動程序，因而，開發的主要任務是下位機固件程序和上位機應用程序的開發。

3.1? USBXpress軟件開發包

　　USBXpress軟件開發包包括Windows公司設備驅動程序、INF驅動安裝文件、主機接口函數庫（以Windows DLL的形式提供）以及設備固件接口函數庫。

　　錄音系統使用到的主機接口函數為：

　　F32x_GetNumDevices( )返回主機所連接的USB設備的個數
　　F32x_GetProductString( )返回所連USB設備的描述符
　　F32x_Open( )打開USB設備
　　F32x_Close( )關閉USB設備
　　F32x_Read( )讀設備
　　F32x_Write( )寫設備
　　F32x_SetTimeouts()設置讀/寫超時值
　　F32x_GetTimeouts()獲取讀/寫超時值
　　F32x_CheckRXQueue()返回設備接收隊列的字節數

　　錄音系統使用到的設備固件接口函數：

　　USB_init()使能USB接口
　　Block_Write()寫緩沖區數據，通過USB送入主機
　　Block_Read()讀主機通過USB送至設備的緩沖區數據
　　Get_Interrupt_Source()返回主機API中斷源以進行相應的處理
　　USB_Int_Enable()API中斷使能
　　USB_Int_Disable()禁止API中斷
　　USB_Disable()禁止USB接口使能
　　USB_Suspend()暫停USB接口

　　通過這些主機和設備接口函數，即可方便地進行主機應用程序和設備端固件程序的編制了。

3.2? 設備固件程序的實現

　　系統選擇 Keil C作為固件開發環境，并采用C語言和匯編語言相結合的方式。

　　固件程序把有關USB功能的固件設計成完全的中斷驅動，ISR(中斷服務程序)和后臺主程序的數據交換通過事件標志和數據緩沖區來進行。主循環負責初始化I/O口、定時器和中斷以及重新連接到USB總線，然后檢測事件標志來對各種事件進行處理。其中后臺程序采用C51高級語言編寫，A/D轉換完成中斷子程序采用ASM51匯編語言編寫。

　　固件程序調用USBXpress提供的固件接口函數來實現通過USB傳輸數據的功能，定義一個中斷號為16的中斷服務函數以響應USB中斷。該ISR以如下形式調用：

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過A/D轉換使接入的4路電話模擬信號轉換為數字信號，以便于傳輸及存儲。程序采用定時器0溢出啟動A/D轉換的方式，依次以一定的采樣速率（11 025 kbps）對交流通道（通道1、2、3、4，語音信號）采樣，并每間隔一定時間對直流通道（通道5、6、7、8，電話狀態）進行采樣。A/D轉換完成中斷子程序用匯編語言編寫，其大致框架為：

ADC_INT: CLRAD0INT；清ADC中斷位
　　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:;查詢電話狀態
　　MOV ADC_COUNTER,#1
　　;將ADC切換至通道4
　　JMP ADC_INT_END
ADC_0:;讀取電話1語音信號
　　;將ADC切換至通道5
　　JMP ADC_INT_END
ADC_1:;讀取電話2語音信號
　　;將ADC切換到通道6
　　JMP ADC_INT_END
ADC_2:;讀取電話3語音信號
　　;將ADC切換到通道7
　　JMP ADC_INT_END
ADC_3:;讀取電話4語音信號
　　;將ADC切換至通道8
ADC_3_1:DEC A
　　JNZ ADC_3_2
　　;將ADC切換至通道1
　　JMP ADC_INT_END
ADC_3_2:DEC A
　　JNZADC_3_3
　　;將ADC切換至通道2
　　JMP ADC_INT_END
ADC_3_3:;將ADC切換至通道3
ADC_INT_END:INCADC_COUNTER
　　POPDPL
　　POPDPH
　　POPB
　　POPPSW
　　POPACC
　　RETI

3.3? 上位機應用程序的設計

　　系統選用 Visual C++ 6.0進行上位機應用程序的開發。程序采用多線程的思想，主線程為用戶界面線程，負責應用程序與用戶的交互；另外開辟一個工作線程，用于USB數據的傳輸。應用程序首先通過USBXpress提供的接口函數F32x_GetNumDevices()來取得當前連接的USB設備數。然后，根據獲得的標識號利用接口函數F32x_Open()打開相應設備，并獲得設備的句柄作為USB設備的標識。該句柄在程序中是獨一無二的。這樣，就可以調用F32x_Read()和F32x_Write()接口函數來讀/寫設備，控制數據的傳輸。為了準確讀取錄音數據，USBXpress提供了接口函數F32x_CheckRXQueue()來返回設備接收隊列中的字節數，以確保錄音數據的無差錯傳輸。錄音數據以PCM的格式存儲在電腦硬盤中。

結語

　　該電話錄音系統基于Silicon Laboratories公司提供的USBXpress軟件開發包開發設計。開發調試簡單、快捷，實現了四路電話同時錄音，錄音清晰，并實現了電話監聽功能。通過對基于USB的多路電話錄音系統的調試測試,證明了它不僅實現了基本的錄音功能，達到了很好的錄音效果，而且克服了以往傳統方法的缺陷,實現了真正意義上的即插即用，極大地方便了用戶使用。

參考文獻

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[4]? 陳連坤．嵌入式系統的設計與開發．北京：清華大學出版社，北京交通大學出版社，2005.

靳超偉（碩士），主要研究方向為嵌入式系統；
陳連坤（副教授）。

（收修改稿日期：2006-07-02）