（检测技术与自动化装置专业论文）嵌入式语音系统设计.pdf

北方工业大学硕士学位论文 摘要 监控技术在生产、生活中越来越被人们所重视。随着嵌入式系统技术的迅速发展， 嵌入式语音监控系统能够将语音a d 、d a 转换、语音编解码压缩和t c p 1 p 网络接口 集成于一体。借助于遍及全球的因特网，形成了嵌入式的口传输语音监控系统。使得 我们可以通过地址的设定来实现远距离的定点语音监控。 本文是嵌入式口传输语音监控系统的子课题，作者针对最终要实现的目标，完成 了一个初步的嵌入式语音系统的设计。该系统分为4 部分：( 1 ) 多功能电话转拨控制 器；( 2 ) u s b 接口模块及c p l d 数字逻辑电路；( 3 ) u s b 固件程序；( 4 ) 上位机驱动程序 和功能验证程序。 在课题研究的过程中，作者设计了多功能电话转播控制器和一个u s b 2 0 的转接模 块电路，并制作了相应的p c b 电路板。在电路的设计过程中，作者借助c p l d 简化了 u s b 模块接口应用电路，并且根据i e e e l l 4 9 1 标准，设计了c p l d 的j t a g 并口下载 适配器。同时用v h d l 语言编写了c p l d 的部分逻辑控制电路的硬件描述代码。这 样，通过u s b 接口实现了目标设备和上位机的连接。在软件方面，作者使用c 语言编 写了u s b 模块的固件程序代码；利用w i n d f i v e f 构建了上位机u s b 语音设备的驱动程 序；同时利用c + + b u i l d e r 开发了一个语音设备的功能验证程序。最后，嵌入式语音系 统具备了语音信号的采集、播放以及与p c 主机之间的数据互传功能。 本文最后给出了一个演示实例，验证了语音数据在嵌入式语音设备和上位机之间的 转输功能。 关键词：嵌入式语音系统，u s b 接口，c p l d 数字电路 北方工业大学硕士学位论文 a d e s i g no fa u d i os y s t e mb a s e do ne m b e d e dt e c h n o l o g y a b s t r a c t 1 1 1 et e c h n o l o g yo f m o n i t o r i n gb e c o m e sm o l ea n dm o l ei m p o r t a n ti np e o p l e sw o r k sa n d l i v e s w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e e h n o l o g yb a s e do ne m b e d e ds y s t e m ，v o i c ea d ，d ac o n v e r t , v o i c ec o d e ca n di n t e r f a c eo t l c p 碍a r ei n t e g r a t e dt oo n ea u d i om o n i t o r i n gs y s t e m r e e u r i n g t ot h ei n t e m e ta l lo v e rt h ew o r l d , a u d i om o n i t o r i n gs y s t e mo v e ri pb a s e do ne m b e d e d t e c h n o l o g yh a sb e e nf o r m e d ，a n dw ec o u l dm o n i t o ra n yo n er e m o t ep o s i t i o nb yu s i n g a r ti p a d d r e s s 1 1 1 i sd e s i g ni st h es u b t a s ko f a u d i om o n i t o r i n gs y s t e mo v e ri pb a s e do ne m b e d e d t e c l m o l o g y t or e a l i z et h ef i n a lt a r g e lw e h a v ec o m p l e t e dt h ed e s i g no f a na u d i os y s t e m b a s e d o l l e m b e d e d t e c h n o l o g y i n p r i m a r ys t a g e t h e w h o l es y s t e m c o n s i s t s o f f o u r p a r t s ：( 1 ) m u l t i f u n c t i o n a lr e d i a l c o n t r o ld e v i c eo f p h o n e ( 2 ) m o d u l eo f u s bi n t e r f a c ea n dc p l d d i g i t a ll o g i cc i r c u i t ( 3 ) u s b 缸r l w a l ep r o g r a m ( 4 ) d r i v e rp r o g r a ma n da p p l i c a t i o np r o g r a m i n h o s tc o m p u t e r n ea u t h o rd e s i g n st h ec i r c u i t so f t h em u l t i f u n c t i o n a lr e d i a l - c o n t r o ld e v i c eo f p h o n ea n d m o d u l eo f u s b 2 0i n t e r f a c e ，a n dc o m p l e t e st h ep c b b o a r d s s i m p l i f i e st h ed e s i g no f t h e a p p l i c a t i o nc i r c u i tb yu s i n gc p l d ；d e s i g n s aj t a g p a r a l l e la d a p t e rf o rc p l d b a s e do l l t h es t u d y o f i e e e l l 4 9 1 ；r e a l i z e s t h ec o m p l e xc o n t r o l l o g i cc i r c u i t w i t h v h d l l a n g u a g e b y u s i n gt h eu s bi n t e r f a c e ，d e v i c ei sc o n n e c t e dt oh o s tc o m p u t e ro no u rs e l f - d e s i g n e dc i r c u i t b o a r d a f t e rc o m p l e t e st h ep r o j e c t so f h a r d w a r e ，t h ea u t h o rd e v e l o p st h eu s bf i n t l w a r ew i t hc ； c o m p l e t e st h ed e v e l o p m e n to f d r i v e rp m g r a mo nh o s tc o m p u t e rb yl l s 崦w i n d r i v e r ；d e v e l o p s a na p p l i c a t i o np r o g r a m1 】s h 坞t h ei d ec 抖b u i l d e r , f o rt e s t i n gt h ef u n c t i o n so f t h ea u d i os y s t e m f i n a l l y , t h ea u d i om o n i t o r i n gs y s t e mp o s s e s s e st h ef u n c t i o no f c o l l e c t i n gv o i c ed a t a , p l a y i n g a n dc o m m u n i c a t i o nw i t hh o s tc o m p u t e r o n ea p p l i c a t i o ne x a m p l ei sd e s i g n e dt ot e s tt h ef u n c t i o n ：v o i c ed a t aa r et r a n s m i t t e d b e t w e e nt h ee m b e d e da u d i os y s t e ma n dh o s tc o m p u t e r k e yw o r d s ：e m b e d e da u d i os y s t e m ，u s bi n t e r f a c e , c p l dd i s t a lc i r c i u t 3 一 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j e 直王、业太堂或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：p 喜，耘签字日期：n 占年十月? 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解! e 直王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权3 t 直至些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：7 协砉，款 签字日期：，。z 年，月j 。日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 冬窖氏 导师签名： 台舌k 签字日期：上一g 年r 月；o b 北方工业大学硕士学位论文 引言 从上个世纪9 0 年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生活方式 都发生了重大的变化，监控技术作为生产生活中一项非常重要的技术逐渐被人们所认识 和重视。语音信息作为生产生活中的一个重要的信号量，对它的监控也逐渐重要起来。 常常需要进行语音监控的场所有：调度部门如航空、电力、铁路、石油、港口、交通等 指挥调度中心；交易部门如银行、期货、证券业等交易的指令系统；安全部门如公安、 安全、消防、急救、监狱等；以及呼叫中心等。 监控系统的演变，是一个从集中监控向网络监控发展的历史l “。随着生产力的进 步，设备的分布越来越离散。单一的，各自独立的监测系统已不能适应工业化的需求， 于是便产生了分布式系统。这种系统以计算机网络为基础，使系统资源分配趋于合理。 但是由于目前运行的绝大多数分布式监测系统还只是在局域网上，通常的测控仅局限于 同一地点，所以具有一定的地域局限性。i n t e m e t 能够实现资源的共享，从而使人们有 能力解决以前在极有限的资源下很难解决的问题，为远程监控系统的发展提供了有利的 条件。远程监控是本地计算机通过网络系统如i n t e r n e t i n t r a n e t ，对远端进行监视和控 制，完成对分散控制网络的状态监控及设备的诊断维护等功能。通常我们把能够实现远 程监控的通信媒体、计算机软件、硬件系统称为远程监控系统【2 j 。 嵌入式口传输语音监控系统集语音信号采集、数字模拟转换、语音编解码压缩和 以太网协议接口于一体。可以使用固定的毋地址将语音数据直接发送到网络上，在远 端可以很方便的得到现场的原始录音记录，实现对现场的实时监控。 本文作者首先完成某电子公司的多功能电话转拨控制器，然后对其功能进行了相应 的扩展，为研究嵌入式p 传输语音监控系统做了基础工作，并初步设计制作了嵌入式 语音系统。 系统整体结构 嵌入式m 传输语音监控系统可以使语音信息实现本地化处理，改善服务器性能。 每一个设备均具各上网与服务功能，即每一个语音设备都可看作个独立的网络终端， 从而大大提高监控的质量和范围。系统的整体构成如图1 所示。 北方工业大学硕士学位论文 图1 系统数据采样传输结构图 嵌入式i p 语音设备和p c 机都连接在网络上，整个系统中各个语音设备和p c 机被 看作是具有唯- - i p 地址的网络设备，各设备通过网络i p 地址进行识别。对于每个语 音设备最基本的功能是语音采集、播放、压缩编解码和网络接口等。每个语音设备 相当于一个语音采集监控设备，它们在远端p c 机的监控下进行工作，完成数据的采 集、压缩编码和传送。远端p c 机可以直接对语音设备所在位置进行监听并存储语音 信息，在必要时也可通过网络在多个或单个语音设备所安装位置进行广播。 本课题任务 本课题是基于m 语音传输而进行的前期研究。在这一阶段，作者主要设计了嵌入 式语音系统，根据最终目标初步完成以下几方面的任务：( 1 ) 实现语音数据的模数转换 采集控制；( 2 ) 设计u s b 接口，对编码压缩后的语音数据进行打包处理，使之符合 u s b 传输协议，利用u s b 接口上传到电脑；( 3 ) 在p c 主机上开发了驱动程序和用户功 能验证程序，根据具体功能要求实现了p c 主机对设备的访问和控制。根据课题要求， 在初步设计中的语音设备基本结构如图2 所示。 图2 嵌入式语音系统结构图 一2 一 北方工业大学硕士学位论文 iu s b 规范 1 1u s b 接口特点 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 通用串行总线。是由包括了c o m p a q 、d i g i t a l e q m p m e n tc o r p 、m m 、i n t e l 、m i c m s o f l 、n e c 以及n o r t h e mt e l e c o m 等7 家主要计算 机与电子科技大厂所研发与规划出来的脚【4 j 。 u s b 接：3 是种快速、灵活的连接各种外围设备的接口嘲。当外围的设备通过 u s b 接口与计算机连接时，允许不必重现配置规划系统【6 】。而计算机会自动识别这些接 口设备，并配置适当的驱动程序，用户无需另外设置i s 。通过u s b 接口，实现了即插即 用与热拔插的特性，用户可以快速方便的将各种u s b 接口设备和p c 主机连接起来。 u s b 的特点与优点主要有【9 】【10 】 1 1 1 ： ( 1 ) u s b 接口统一了各种接口设备的连接头，如通信接口、打印接口、显示输出接 口、存储器等都可以采用u s b 的接口规范。 ( 2 ) 即插即用( p l u g - a n d - p l a y ) 热插拔( h o ta t t a c ha n dd e t a c h ) ，并且能自动监测和 配置系统的资源。再者，无系统资源的需求，即u s b 设备不需要再另外设置i r q 中 断、i o 地址以及d m a 等系统的资源。 ( 3 ) u s b 接口使用了7 位的寻址字段，易于扩展，通过h u b 最多可以连接1 2 7 个接 口设备i 。 u s b 的整体功能是简化外部接口设备与主机之间的连线，达到了利用一根传输电 缆实现串接各类型的接口设备的目的。 1 2u 沿的总线拓扑 u s b 总线拓扑结构包括四个重要的组成部分t l o 1 1 3 】。 ( 1 ) u s b 主机：是u s b 通信的中心，它是个硬件、固件和软件的结合体。 ( 2 ) u s b 设备：带有u s b 接口并可以完成特定功能的的外设。 ( 3 ) 物理拓扑结构：描述u s b 系统中的各组成部分是如何连接起来的。 ( 4 ) 逻辑拓扑结构：描述u s b 系统中各种组成部分的地位和作用，以及描述从主机 和设备的角度观察到的u s b 系统。 ( 1 ) u s b 主机 3 北方工业大学硕士学位论文 u s b 主机包括u s b 主机控制器、u s b 软件系统集合和客户软件。u s b 主机在 u s b 系统中是一个起协调作用的实体，它不仅占有特殊的物理位置，而且对于u s b 以 及连到u s b 上的设备来说，还负有特殊责任。主机控制所有对u s b 的访问，一个u s b 设备想要访问总线必须由主机给予它使用权；主机还负责监督u s b 的拓扑结构。 ( 2 ) u s b 设备 u s b 设备可以分为两大类，h u b 类( 提供附2 1 1u s b 接入点的设备) 和功能类设 备。u s b 设备是一个标准的u s b 接入口，它的作用是：解释u s b 协议；对标准u s b 操作进行响应；提供设备的一些描述符信息。u s b 设备包括u s b 总线接i ；3 、u s b 逻辑 设备和应用层。u s b 设备用于向主机提供一些额外的功能，u s b 设备提供的功能是多 种多样的，但面向主机的接1 ：3 却是一致的。所以，对于所有这些设备，主机可以用同样 的方式来管理它们与u s b 有关的部分。 为了帮助主机辨认及确定u s b 设备，这些设备本身需要提供用于确认的信息。在 某些方面的信息，所有设备都是一样的；而某些方面的信息，则由这些具体设备的具体 功能来决定。 ( 3 ) u s b 总线物理拓扑 u s b 总线物理拓扑图如图1 1 所示。图中的h u b 是一个类特殊的u s b 设备，它是 一组u s b 的连接点，主机中被嵌入的h u b 叫根h u b ( r o o th u b ) 。主机通过根h u b 提 供若干个连接点。为了防止环状连接，采用星形连接来体现层次性 图1 1u s b 物理总线拓扑图 用于提供具体功能的设备叫应用设备。许多不同功能的设备放在一起被看作一个整 体，例如u s b 键盘和u s b 鼠标可以被视作一个整体。在它的内部，提供具体功能的设 d 北方工业大学硕士学位论文 备被接到h u b 上，而这个h u b 被接到u s b 上。所有这些设备及这个h u b 被看作一个复 合设备，而这个h u b 又被看作这个复合设备的内部h u b 。在主机看来，这个复合设各和 一个带着若干设备的单独h u b 是一样的。 h 1 总线逻辑拓扑结构 在物理结构上，设备通过h u b 连到主机上。但在逻辑上，主机是直接与各个逻辑 设备通信的，就好像它们是直接被连到主机上一样。这个逻辑关系如图1 2 所示。与之 对应的物理结构就是图1 1 中的结构。h u b 也是逻辑设备，但在图1 2 中，为了简化起 见，未被画出，虽然u s b 系统中的工作都是从逻辑角度来看待的，但主机必须对物理 结构有个了解。例如，在处理h u b 被移去的情况时，当一个h u b 被移出，通过它与主 机相连的设备也应一起被移去，这是由其物理结构决定的。 图1 2 u s b 总线逻辑拓扑 1 3u s b 设备的描述符及其标准请求 1 3 1u s b 设备的描述符 u s b 设备的描述符是对u s b 设备的属性说明，是一个有规定格式的数据结构。标 准u s b 设备描述符分别是：设备描述符、配置描述符、接口描述符、端点描述符和字 符串描述符o o l 。各个描述间呈树状结构，前者包括后者。u s b 描述符阶层关系图如图 1 3 所示。 5 北方工业大学硕士学位论文 图1 3 u s b 描述符阶层图 1 3 2 标准描述符定义 ( 1 ) 设备描述符 设备描述符给出了u s b 设备的一般信息，包括对设备及对所有设备配置起全程作 用的信息，一个u s b 设备只有一个设备描述符表。u s b 规范规定设备描述符由1 4 个字 段组成，它们分别为：b l e n g t l ( 描述符字节数) 、b d e e r i p t o r t y p e ( 描述符类型) 、 b c d u s b ( 设备u s b 版本号) 、b d e v i e e c l a s s ( 设备类码) 、b d e v i c e s u b c l a s s ( 设备子 类码) 、b m a x p a c k e t s i z e 0 ( 端点0 的最大包大小) 、i d v e n d e r ( 产商标志) 、i d p r o d u c t ( 产品标志) 、b c d d e v i c e ( 设备出厂编码) 、i m a n u f a c t u r e ( 产商信息字符串索引) 、 i s e r i a l n u m b e r ( 设备序列号字符串索引) 和b n u m c o n f i g u r a f i o n s ( 可能的配置数) 。 f 2 ) 配置描述符 配置描述符叙述了设备特定配置的相关信息。u s b 规范规定配置描述符有8 个字 段，它们分别是：b l e n g t h ( 描述符字节数) 、b d e c r i p t o r t y p e ( 描述符类型) 、 w t o t a l l e n g t h ( 配置信息总长度) 、b n u m i n t e r f a c e s ( 配置所支持的接口数) 、 b c o n f i g u r a t i o n v a l u e ( 配置符的一个参数) 、i c o n f i g u r a t i o n ( 配置字符串描述索引) 、 b m a t t r i b u t e s ( 配置特性) 、b m a x p o w e r ( 总线电源最大耗电量) 。 ( 3 ) 接口描述符 6 北方工业大学硕士学位论文 接1 2 1 描述符在一个配置内给出一个接1 2 1 的信息。一个配置可以提供一个或者多个接 1 2 1 ，每个接口都有自己的端点描述来描述该配露中的端点集。u s b 规范规定接口描述符 有9 个字段，它们分别是：b l e n g t h ( 描述符字节数) 、b d e c r i p t o r t y p e ( 描述符类 型) 、b i n t e r f a c e n u m b e r ( 接1 3 编号) 、b a l t e m a t e s e t t i n g ( 可选设备索引值) 、 b n u m e n d p o i n t ( 端点数目) 、b i n t e r f a c e c l a s s ( 类型代码) 、b i n t e r f a c e s u b c l a s s ( 子类型 代码) 、b i n t e r f a c e p r o t o c o l ( 协议码) 、i i n t e r f a c e ( 接口字符串描述表索引值) 。 “) 端点描述符 每个接口使用的端点都有自己的描述，此描述符被主机用来决定每个端点的带宽请 求。每个端点的描述符总是作为配置描述的一部分返回的，需要注意的是端点0 没有端 点描述符。u s b 规范规定端点描述符由6 个字段组成，它们分别是：b l c n g t h ( 描述符 字节数) 、b d e c d p t o r t y p e ( 描述符类型) 、b e n d p o i n t a d d r e s s ( 端点地址) 、 b m a t t r d b u t e s ( 端点属性) 、w m a x p a c k e t s i z e ( 此端点可接收或发送的最大数据包大 小) 、b i n t e r v a l ( 轮询数据传输端点的时间间隔) 。 圆字符串描述符 字符串描述是可选的，如果一个设备不支持字符串描述，所有其它描述符表中有关 字符串描述符的的索引都应该为0 。字符串描述符有3 个字段，它们分别是：b 1 2 n g t h ( 描述符字节数) 、b d e c r i p t o r t y p e ( 描述符类型) 和b s t r i n g ( u n i c o d e 编码的字符 串) 。 1 3 3u s b 标准设备请求 u s b 标准设备请求用来完成u s b 设备枚举命令。u s b 设备必须对设备请求作出响 应，所有的u s b 设备通过缺省控制通道对主机的请求做出响应。这些请求是通过使 用控制传输来达到目的的，请求及参数通过s e t u p 封包发送到u s b 设备。主机负责设 置s e t u p 封包内每个字段的值，每个s e t u p 封包由8 个字节组成。 u s b 设备的请求由8 个字节的s e t u p 封包组成，其格式定义如表1 1 所示： 表1 1 u s b 的s 咖p 封包格式 偏移量字段大小 描述 0 b m r e q u e s t t y p e l 请求特征： d 7 ：传输方向 o = 主机到设备 1 = 设备到主机 一7 北方工业大学硕士学位论文 d 6 ，d 5 ：种类 o = 标准 l 噗型 、2 = ) - - 商 3 = 保留 d 4 d o ：接受者 o = 设备 i _ 接口 2 ；端点 3 ；端点 4 3 l 珠留 1 b r e q u e s t 1 u s b 设备请求 2w v a l u e2 传递的参数( 根据请求变化) 4 w l n d e x 2 指明接口或者端点 6 w l e n g t h 2 指明数据字节数 u s b 的标准请求共有个l l 命令，对应的代码和说明如表1 2 。 表】2 u s b 标准请求 标准请求代码说明 g e ts 似r u s0 返回所指接收者状态 c l e a r f e a t u r e l 清除指定特性 s e tf e a t u r e3 设置或使能一个特性生效 s e ta d d r e s s5 为设备设置地址 g e t _ d e s c r i p t o r 6 返回存在的描述符 s e t d e s c r i p t o r 7 更新或者添加新的描述符 g e t c o n f i g u r a t i o n 8 返回当前设备描述符 s e t _ c o n f i g u r a t i o n 9 设置设备描述符 g e t i n t e r f a c e 】0 返回接口选中的设置 s e t i n t e r f a c e 1 1 让主机为指定的接口设置 s y n cf t , a m1 2 设置或者汇报一个节点的同步帧 一8 一 北方工业大学硕士学位论文 u s b 的数据传送是在主机软件和一个u s b 设备的指定端口之间进行的。这种主机 软件和u s b 设备的端口间的联系称作通道。总的来说，各通道之间的数据流动是相互 独立的。一个指定的u s b 设备可以有许多通道。u s b 包含四种基本的数据传输类型， 分别是：控制传输( c o n t r o lt r a n s f e r ) 、批量传输( b u l kw a n s f e r ) 、中断传输( i n t e r r u p t t r a n s f e r ) 、同步传输( i s o c h r o n o u st r a n s f e r ) 。数据和控制信号在主机和u s b 设备间的 交换存在两种管道：流通道和信息通道【。5 1 。其中控制传输建立起来的通道属于信息通 道，其他三种传输建立起来的通道属于流通道。 1 4 1 控制传输 控制传输是突发的、非周期的主机软件初始化的请求和相应通信。控制传输是 u s b 主机用来配置设备并对其进行控制的传输方式，设计者也可以根据需要来利用这种 方式。每个u s b 设备都有一个缺省的控制传输管道( 端点o ) ，用于接受主机的控制 命令。 一次控制传输一般由三个阶段组成( 如图1 4 所示) ：首先是设置阶段( s e t u p s t a g e ) ，主机向设备发出一个设置( s e t u p ) 事务传输，规定主机所要求的操作。u s b 协议规定了大多数标准的s e t u p 封包命令，设计者也可以定义自己特有的s e t u p 封 包，前提是主机和与之通讯的u s b 设备都能够识别它。接下来是数据阶段( d a t a s t a g e ) ，由若干个数据事务传输组成。传输的方向和数据内容由s e t u p 封包规定。如果 s e t u p 封包没有要求数据传输，则无此阶段。最后是状态阶段( s t a t u ss t a g e ) 。它由一 个状态事务组成，设备返回传输是否成功的状态信息【l6 j i ”j 。 在接收数据的阶段，则发一个0 字节的数据包表示传输顺利完成，而后主机返回 a c k 握手封包信号给设备。如果设备仍处于接收和处理前面的事务，则返回n a k 握 手封包信号，表示设备“忙”。如果前面阶段的传输有错误，则设备返回s t a l l 握手 信号。对于主机从设备读取数据的控制过程，在状态阶段，主机首先发一个o u t 令 牌，而后再发一个0 字节的数据包，最后设备返回握手信号。其中a c k 握手封包表 示整个控制传输成功完成，由主机端送出。n a k 握手封包表示设备尚未就绪暂时无法 执行主机所发的请求，由设备端送出。s t a l l 握手封包表示设备端存有错误而停滞， 此时需要主机软件的介入，由设备端发出。在控制传输中，数据方向是双向的，即一个 端点0 既可以接收又能发送数据。在数据阶段中可以有多个数据交易，但参与每次数 9 北方工业大学硕士学位论文 据交易的数据包不能大于数据的有效载荷( d a t ap a y l o a d ) 。对于高速设备，数据有效 载荷最多为6 4 个字节。在数据阶段中，若某次数据交易的数据包大小小于数据有效载 荷，则通信双方默认它是数据阶段的最后个数据交易，这就确定了数据阶段如何结 束。 + 一s e t u ps 协a + d a t as t a g e 凰圜圆凰团 圆圃 乞裂鉴裟怒，t s u d a v b l t s n u p t l 梆。n 。州e 洲。删j s t a t u s s t a g e ： 凰画画：凰圃圆 8 。0 5 1 d 拍n h s 蝴xb 诖蚋n t o 船 o r s “s 佛b g n u 嫩 图1 - 4 控制传输的3 个阶段 由于在通常情况下一个u s b 系统需要与多个端点进行各种传输，那么就会关心如 何为这些不同的传输分配带宽。u s b 会在每帧都留有一定的时间用于控制传输，因为 控制传输对于系统的稳定和错误恢复是至关重要的。有时系统要求发送的控制传输很 多，且超过了系统为之保留的带宽，并且在当前帧内没有中断和同步传输时，u s b 系 统软件会让那些控制传输占用为中断和同步传输而保留的带宽；如果控制传输在一帧内 消耗的带宽小于1 0 ，则剩余的带宽可以用于批量传输；如果某一次控制传输失败， 则u s b 系统软件既可以在当前帧，又可以在将来的新帧中重新进行传输。由此可见， 在一个实际系统中，某一时刻控制传输带宽往往是不确定的。这种传输方式有严格的格 式控制，所以适合于控制应用。 1 4 2 批量传输 批量传输为非周期的，大型包的突发通信。在传输约束下，具有很广的动态范围； 批量传输主要应用在主机和设备之间有大量的数据需要传输而不要求同步的场合。只有 在全速和高速模式下才能进行批量传输。与控制传输不同的是：批量传输方向是单向的 ( 即某个端点只能接收或发送数据) ，格式也没有控制传输严格。批量传输在全速模式 下，允许的有效载荷可以是8 ，1 6 ，3 2 或6 4 个字节，在高速模式下，允许的最大有 一1 0 北方工业大学硕士学位论文 效载荷是5 1 2 个字节。当某一次数据交易中数据包的大d q , 于最大有效载荷时，通信 双方默认交易结束。 批量传输的带宽也是由u s b 的系统软件分配的，任何端点都无权要求保证有一定 的带宽。批量传输的优先权比控制传输低，而且系统不象对控制传输那样每一帧都为其 保留一定的带宽。只要当前的剩余带宽够一次数据交易，系统就会把排队的批量传输插 入，这个灵活的策略是批量传输的优势。如果系统同时与几个端点进行批量传输，主机 控制器根据自己的策略为它们分别分配带宽，所以某一端点在任一时刻的带宽是不能确 定的。 1 4 3 中断传输 中断传输是低频、延时有限的通信。中断传输适合于具有周期性，但数据量较小的 通信。主机按周期查询设备的相应端点来进行通信。如果当前周期的传输失败，则在下 一个周期重新进行传输，由此可见，中断传输在很大程度上能保证一定的带宽。当一个 端点被设定为中断传输方式时，那么系统在配置时必须确定它的周期和有效数据载荷。 1 4 4 同步传输 同步传输是主机与设备之间周期的、连续的通信，常用于传输与时间相关的信息。 同步传输维持一定的传输速度。同步传输采用了预先与p c 主机协议好的固定带宽，以 确保发送端与接收端的速度能相互吻合。这使得它十分适用于要求传输速率一定的设 备。与其他传输方式不同的是，同步传输只需令牌与数据两个封包阶段就可以形成一个 数据交抉动作，它没有失馗试( f a i l u r e r e t r y ) 机制，因而它不能纠正传输中的误 码。在高速模式下，同步传输的有效数据载荷是0 - 1 0 2 4 个字节。协议规定，不管数据 是对还是错，主机和设备都应该接收。当主机以同步方式读数据时，首先主机发出n 令牌，而后设备发送数据；当主机向设备以同步方式写数据时，它首先发出o u t 令 牌，然后再发送数据到设备。同步传输是以连续的1 n o u t 令牌+ 数据这样简单的同步 交易进行的。 对于任何u s b 设备进行设置时，一个通道最多只能支持上述一种数据传输方式。 北方工业大学硕士学位论文 2 多功能电话转拨控制器设计 多功能电话转拨控制器使用了l e 7 8 d 1 l 作为语音编解码控制芯片，它内部集成了 语音a d 、d a 以及多种语音信息检测和控制电路。多功能电话转拨控制器的设计，为 以后继续研究嵌入式p 传输语音系统积累了一定的经验。而且在设计的初期阶段，可 以将它作为本课题( 嵌入式语音系统) 的语音a d 、d a 部分加以利用。 2 1 电活转拨器硬件整体结构和工作原理 一般，普通的电话转播控制器主要实现外线转拨内线、内线转拨外线，或内线转拨 内线的功能。这样它们只需要可以识别拨号音和具备切换功能即可。而笔者设计的多功 能电话转拨器与般的电话转拨器的最大不同在于可以接两条( 或多条) 外线，具有了 外线转拨外线的功能。为了让系统能够实现以上操作，多功能电话转拨控制器必须能够 识别d t f m ( 双音多频音) 、产生d t f m 以及辨别各种不同电话信令音( 图2 1 为多功 能电话转拨控制器的结构框图) 。 图2 1 多功能电话转拨控制器的结构框图 多功能电话转拨控制器的工作过程大概如下：当外线或内线有拨号请求时( 为外线 时是在外线接口上收到振铃信号，为内线时是在内线接口上检测到摘机信号) ，转拨器 开始监听拨号输入音，并将拨号号码信息存储在微处理器内部的r a m 中。在拨号完成 后，判断其输入是否有效，如果有效则往正确的线路上送出拨号号码( 如果号码是送往 外线，电话转拨控制器在往外线进行拨号时，还需要跟踪外线传来的电信信令音，根据 电信信令音来判断当前的状态，并且做出正确的反应。如果是送内线，则在正确的内线 1 2 北方工业大学硕士学位论文 线路上发送振铃音) 。在送出拨号号码后，如果外线( 或者内线) 线路接通，则利用模 拟开关阵列将两分开的线路在逻辑上连接起来。 2 2 外线接口电路设计 外线电路是直接和电话局的p s t n ( 公共交换电话网) 网络相连的。p s t n 网络两 线平时电压大概为5 2 v ，在通话工作状态下为6 到8 伏。而多功能电话转拨控制器上的 器件是工作在5 v 和3 3 v 电压下的，为了保证多功能电话转拨控制器正常工作，就必须 将设备内外两端的电路在物理上进行隔离。由于c p c 5 6 2 1 内部有高压隔离栅、交流和 直流电话线终端接口、摘挂机开关控制、2 线一4 线转换、振铃检测、挂机状态信号检 测以及来电显示信号接收功能18 】 删，因此在外线上选用了c p c 5 6 2 1 芯片来设计接口电 路。其接线电路原理图如图2 2 所示： c p c 5 6 2 1 可工作在可选的5 v 或者3 3 v 电压下，为了方便和我们使用的5 v 微处理 器相接，笔者将c p c 5 6 2 1 设计为5 v 工作。c p c 5 6 2 1 内部不仅实现了两线到四线的转 换控制，同时，外部引脚提供了可选择的差分信号和单端信号接口方式1 1 8 】【1 9 1 。另外它还 为直接和微处理器相连提供了简单的t r l 电平接口，如振铃音的检测，模拟摘机控制 信号等。这些使得设计变得更简单和更可靠。 2 2 1 模拟摘挂机控制 电话局的交换机通过线路上的电流大小来判断用户电话机的摘挂机状态。在挂机状 态下，电路上的电流接近0 ；在摘机状态下，线路上的电流为1 8 m a 5 5 m a ，如果电流 超出此范围，则认为用户环路出了故障。 一1 3 北方工业大学硕士学位论文 在图2 - 2 中，微处理器通过i o 脚的输出来控制c p c 5 6 2 1 的o h 引脚电平，以实现 对电路中的q 1 ( 场效应管) 的开断控制，而改变线路中的电流大小，以模拟电话机的 摘挂机动作。当c p c 5 6 2 1 的o h 引脚输入高电平时，q 1 截止，回路电流很小，设备处 于挂机状态；当c p c 5 6 2 1 的o h 引脚输入低电平时，q 1 导通，此时q l 中流过3 0 m a ， 左右的电流，相当于电话摘机。此时电话局的交换机会认为设备摘机，然后接通电话线 路，等待用户拨号。 2 2 2 振铃检测 在待机状态下，电话线路上的电压大概为5 2 v ；当有用户呼叫本机时，电话局的交 换机将向电话线路上发送振铃信号，振铃信号为 9 0 v 士1 5 v 、2 5 i q z 士3 1 4 z 、3 s 通、4 s 断的 蜂音。在线路中，当振铃信号到达设备后，经过c p c 5 6 2 1 内部高压隔离栅后在 c p c 5 6 6 2 1 的r i n g 引脚上输出一个相同频率的间断r 几电平信号。这样我们就可以直 接使用微处理器的o 引脚，通过软件检铡r i n g 引脚上的信号频率来达到检测振铃信 号的目的。 2 3 内线接口电路设计 内线接口电路是直接与内线用户的电话机相连的，在工作时，电话机为多功能电话， 转播控制器的一个负载。这就要求多功能电话转播控制器可以为电话机提供正常的工作 电压。l e 7 7 d 11 内部集成了两路通道，每个通道均可由数字输入信号设定为低功耗等 待、断开、普通激活、极陛反转、电路检测等状态口。同时l e 7 7 d 1r 还可以监视电路 的状态，检测电话是否摘机。另外，l e 7 7 d 11 只需要在外围增加简单的电感电容充放电 电路，便可以通过c h c l k 引脚的频率输入信号来控制充放电的过程，从而产生高达七 十多伏的负电压。这个负电压经过芯片内部馈电到电话机接口线上，便可为电话机提供 工作所需电压( l e 7 7 d 11 的电路原理接线图如图2 3 所示) 。 1 4 北方工业犬学硕士学位论文 2 4 多路切换阵歹悸斟 图2 3 内线接口电路原理图 多功能电话转拨控制器要求任意两条线路可以同时接入l e 7 8 d 11 编解码芯片的两 个通道，以便实现对语音信息和状态的监控。为了实现任意两路的逻辑相连，可以考虑 在电话线接口外侧接入继电器，通过控制继电器的断开、闭合来控制外线线路或者电话 机是否了连入多功能电话转播控制器。但是这样会使被断开了的电话线路处于失控状 态，同时继电器使用太多会增加设备的功耗和机械噪音。在实际设计中，我们采用了在 设备内部使用开关阵列进行切换的方式来实现任意两条线路的逻辑相连。 由于电话语音是模拟信号，并且每路均有进、出两条语音通道。所以我们选择了双 路四选一模拟切换开关c d 4 0 5 2 作为多路切换器件。c d 4 0 5 2 与各通道的连接原理图如 图2 4 。 一1 5 北方工业大学硕士学位论文 图2 4 切换阵列 图2 4 所画为两路内线四路外线的切换阵列原理。其中两路内线和外线4 分别位于 不同的c d 4 0 5 2 ，且只和一片c d 4 0 5 2 相连，这样做可以在切换控制信号的配合下，为 实现相同数目的通道切换而使用较少的c d 4 0 5 2 ，表2 1 为相应的切换功能对应表。另 外，如果需要设计具有更多内线和外线的切换阵列，可通过增加模拟切换器件的方式实 现。 表2 1 通道切换功能表 4 0 5 2 一c s l b 1a 1 4 0 5 2 c s 2 b 2a 2 接入线路 o0000o 内线1 内线2 001 内线1 外线1 o10 内线l 外线2 o11 内线1 外线3 1xx 内线1 外线4 001ooo 外线1 内线2 0l0 外线2 内线2 o11 外线3 内线2 1xx 外线4 内线2 1xx0 01 外线4 外线1 01o 外线4 _ _ 夕 线2 011 外线4 _ 夕 线3 1 6 北方工业大学硕士学位论文 oo10lo 外线l 外线2 ol1 外线l 外线3 0100l1 外线2 外线3 2 5 电话信令音整形电路设计 电话通信过程中，常使用某些特定频率音的不同断续组合来指示通信进程。它们是 设备识别当前通话状态的重要信号。其中有几种重要的呼叫进程音圆： 拔号音：通知主叫用户可以开始拔号，为4 5 0 h z 频率信号，连