基于USB息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) C805lF320 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，不仪充分利用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；软什方面利用Cygnal／Silicon Laboratories公司提供的USBXprcss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问短、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480Mbps，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最实时传输的要求。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凋试和实际应用；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2304字节的RAM和16KB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．O功能控制器；
    ◇可支持8个USB端点；
    ◇带有lKB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805lMCU内核，该MCU内核采用流水线式指令结构，处理速度可达25MIPS(时钟频率为25MHz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l所示。

    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转换器转换为数宁信号，作为USB传输的录音数据。
    系统所采用的A／D转换器为C805lF320微控制器内部集成，具有10位精度，最高采样率可达200ksps。

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WindowsDLL的形式提供)以及设备固件接口函数库。
  
    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：

   
    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l、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：

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。该句柄在程序巾是独一无二的。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，USBX-press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。