1、东南大学硕士学位论文 1 硕士学位论文 基于 ARM的嵌入式语音采集处理系统 专 业 名 称 ： 软件工程 研究生姓名 ： 导 师 姓 名 ： 东南大学硕士学位论文 1 目录 目录 . 2 摘要 . 4 Abstract . 5 第一章 绪论 . 6 1.1 课题背景和系统设计 . 6 1.2 技术发展和存在的问题 . 6 1.3 嵌入式系统的特点 . 7 1.4 嵌入式系统的分类 . 8 1.5 本文所做的研究工作及其章节安排 . 10 1.5.1 具体研究工作内容 . 11 1.5.2 论文组织安排 . 11 第二章 系统总体方案设计 . 12 2.1 系统框架构思 . 12 2.1.1
2、技术方案和原理 . 12 2.1.2 系统功能要求 . 12 2.2 研究方法及步骤 . 13 第三章 嵌入式 Linux 开发平台的构建 . 14 3.1 介绍嵌入式 Linux 的情况 . 14 3.1.1 Linux 嵌 入式系统现状 . 14 3.1.2 嵌入式系统选择 Linux 的原因 . 15 3.1.3 目标开发环境构造 . 16 3.1.4 开发模式 . 24 第四章 系统软件模块的设计与实现 . 26 4.1 软件模块的整体架构 . 26 4.2 硬件板卡驱动程序模块的设计 . 27 4.2.1 ARM-Linux 设备驱动程序介绍 . 27 4.2.2 板卡驱动程序模块设
3、计与实现 . 31 4.3 数据采集程序模块的设计 . 35 4.3.1 嵌入式 Linux 系统下 C 语言应用程序开发 . 35 4.3.2 线路状态分析子模块的设计与实现 . 57 4.3.3 读取数据子模块的设计与实现 . 59 4.3.4 保存语音文件子模块的设计与实现 . 60 4.3.5 数据库子模块的设计与实现 . 60 4.3.6 传输子模块的设计与实现 . 62 第五章 系统设计总结与系统改进的方向 . 66 5.1 系统研制总结 . 66 5.2 系统改进方向 . 66 致谢 . 67 东南大学硕士学位论文 1 参考文献 . 68 作者简介 . 错误 !未定义书签。 东南
4、大学硕士学位论文 1 摘要 关键词： 东南大学硕士学位论文 1 Abstract Keywords: 东南大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题背景和系统设计 随着社会进步和现代科学技术的发展，整体社会呼唤建立更加完善的服务体系，众多企业都建立了服务热线或者营销热线；政府机关正轰轰烈烈地建设服务型政府，为了更好地树立政府形象，更好地建立与社会的沟通，部分政府部门开通了热线电话，比如司法部门开通司法援助热线，环保部门开设 24 小时投诉电话。这些电话都是人工接听并记录，往往会丢失一些重要的信息，发现问题后无法更正。于是有了将热线电话中的有用信息进行记录的需求，部分企业要求将打入服务热线
5、或 者营销热线的客户号码，打入时间自动记录进计算机里，以便分析客户动态；个别重点企业要求将工作调度热线的全部信息进行记录，以便在发生生产事故后分析追查责任；政府部门的服务热线要求有选择的进行记录，以便不丢失为民服务的有用信息，并且可不定期地对所记录的信息进行统计分析，发现社会的新的动态。 技术是应用科学之母，以往的产品设计，大家的眼光局限于 PC、服务器、交换机、路由器等，近来，由于硬件技术的快速发展，硬件设备功能日益增强、价格越来越便宜，大家开始注意到嵌入式技术的优势，广泛应用到各行各业，都产生了极其好的效果。 在这样的技术背景和市场需求背景之下，我们提出了应用嵌入式技术来设计一个 1 至
6、2 路的小型、低功耗、无人值守的高可靠性电话记录备案设备，用来采集和记录热线电话的通话信息，在设备中进行存储，在需要时，通过网络或者其他传输设备将这些所记录的信息转储到 PC 机上长时间保存备用。 1.2 技术发展和存在的问题 目前，市场上的电话记录设备主要采用的 PC+板卡的架构，即在台式机上插上语音板卡，并在机器上安装软件，从而进行记录。这种数据采集方式优点就是安装方便，但是它的缺点与不足也显而易见。第一，采用传统 PC 机，成本高，设备体积大，移动 不方便；第二，这种方式一般是在 PC 机上安装 Windows 操作系统，系统的稳定性不高，且保密性不好。因此，东南大学硕士学位论文 1 研
7、发出一种工作稳定，体积小巧灵活，成本又不高的新一代语音记录设备的需要日益迫切，基于上述考虑，笔者尝试开发一种嵌入式的语音记录设备来填补市场上的空白。 1.3 嵌入式系统的特点 这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面：一是芯片技术的发展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可靠性、成本、 更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。 从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征： 1）系统内核小。由
8、于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如 Enea 公司的 OSE 分布式系统，内核只有 5K，而 Windows 的内核？简直没有可比性。 2） 用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品 中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的 “ 升级 ” 是完全两个概念。 3） 系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现
9、上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 4） 高实时性的系统软件 (OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。 5） 嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入 式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配 RTOS（ Real Time Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 6） 嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备
10、自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析 仪、混东南大学硕士学位论文 1 合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。 1.4 嵌入式系统的分类 由于嵌入式系统由硬件和软件两大部分组成，所以其分类也可以从硬件和软件进行划分。 从硬件方面来讲，各式各样的嵌入式处理器是嵌入式系统硬件中的最核心的部分，而目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过 1000 种，流行体系结构包括 MCU， MP
11、U 等30 多个系列。鉴于嵌入式系统广阔的发展前景，很多半导体制造商都大规模生产嵌入式处理器，并且公司自主设计处理器也已经成为了未 来嵌入式领域的一大趋势，其中从单片机、DSP 到 FPGA 有着各式各样的品种，速度越来越快，性能越来越强，价格也越来越低。目前嵌入式处理器的寻址空间可以从 64kB 到 16MB，处理速度最快可以达到 2000 MIPS，封装从8 个引脚到 144 个引脚不等。 嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下 4 个特点： 1）对实时多任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度
12、。 2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式 系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有 mW 甚至 W 级。 根据其现状，嵌入式处理器可以分成下面几类： 嵌入式微处理器（ Micro Processor Unit， MPU） 嵌入式微处理器是由通用计算机中 的 CPU 演变而来的。它的特征是具有 32 位
13、以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。和工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具东南大学硕士学位论文 1 有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。目前主要的嵌入式处理器类型有 Am186/88、386EX、 SC-400、 Power PC、 68000、 MIPS、 ARM/ StrongARM 系列等。 其中 Arm StrongArm 是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。 嵌入式微控制器 (Microco
14、ntroller Unit, MCU) 嵌入式微控制器的典型代表是单片机，从 70 年代末单片机出现到今天，虽然已经经过了 20 多年的历史，但这种位的电子器件目前在嵌入式设备中仍然有着极其广泛的应用。单片机芯片内部集成 ROM/EPROM、 RAM、总线、总线逻辑、定时 /计数器、看门狗、 I/O、串行口、脉宽调制输出、 A/D、 D/A、 Flash RAM、 EEPROM 等各种必要功能和外设。和嵌入式微处理器相比，微控制器 的最大特点是单片化，体积大大减小，从而使功耗和成本下降、可靠性提高。微控制器是目前嵌入式系统工业的主流。微控制器的片上外设资源一般比较丰富，适合于控制，因此称微控制
15、器。 由于 MCU 低廉的价格，优良的功能，所以拥有的品种和数量最多，比较有代表性的包括8051、 MCS-251、 MCS-96/196/296、 P51XA、 C166/167、 68K 系列以及 MCU 8XC930/931、 C540、C541，并且有支持 I2C、 CAN-Bus、 LCD 及众多专用 MCU 和兼容系列。目前 MCU 占嵌入式系统约 70的市场份 额。近来 Atmel 出产的 Avr 单片机由于其集成了 FPGA 等器件，所以具有很高的性价比，势必将推动单片机获得更高的发展。 嵌入式 DSP 处理器 (Embedded Digital Signal Processo
16、r, EDSP) DSP 处理器是专门用于信号处理方面的处理器，其在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令的执行速度。在数字滤波、 FFT、谱分析等各种仪器上DSP 获得了大规模的应用。 DSP 的理论算法在 70 年代就已经出现，但是由于专门的 DSP 处理器还未出现，所以这种 理论算法只能通过 MPU等由分立元件实现。 MPU较低的处理速度无法满足 DSP的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展， 1982 年世界上诞生了首枚 DSP 芯片。其运算速度比 MPU 快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至 80 年
17、代中期，随着 CMOS 技术的进步与发展，第二代基于 CMOS 工艺的 DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理技术的基础。到 80 年代后期， DSP 的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了通信和计算机 方面。 90 年代后， DSP 发展到了第五代产品，集成度更高，使用范围也更加广阔。 目前最为广泛应用的是 TI 的 TMS320C2000/C5000 系列，另外如 Intel 的 MCS-296和Siemens 的 TriCore 也有各自的应用范围。 东南大学硕士学位论文 1 嵌入式片上系统 (System On Chip) SoC
18、 追求产品系统最大包容的集成器件，是目前嵌入式应用领域的热门话题之一。 SOC最大的特点是成功实现了软硬件无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块。而且 SOC 具有极高的综合性，在一个硅片内部运用 VHDL 等 硬件描述语言，实现一个复杂的系统。用户不需要再像传统的系统设计一样，绘制庞大复杂的电路板，一点点的连接焊制，只需要使用精确的语言，综合时序设计直接在器件库中调用各种通用处理器的标准，然后通过仿真之后就可以直接交付芯片厂商进行生产。由于绝大部分系统构件都是在系统内部，整个系统就特别简洁，不仅减小了系统的体积和功耗，而且提高了系统的可靠性，提高了设计生产效率。 由于 SOC 往往
19、是专用的，所以大部分都不为用户所知，比较典型的 SOC 产品是 Philips的 Smart XA。少数通用系列如 Siemens 的 TriCore， Motorola 的 M-Core，某些 ARM系列器件， Echelon 和 Motorola 联合研制的 Neuron 芯片等。 预计不久的将来，一些大的芯片公司将通过推出成熟的、能占领多数市场的 SOC 芯片，一举击退竞争者。 SOC 芯片也将在声音、图像、影视、网络及系统逻辑等应用领域中发挥重要作用。 从软件方面划分，主要可以依据操作系统的类型。目前嵌入式系统的软件主要有两大类：实时系统和分时系统。其中实时系统又分为两类：硬实时系统和
20、软实时系统。 实时嵌入系统是为执行特定功能而设计的，可以严格的按时序 执行功能。其最大的特征就是程序的执行具有确定性。在实时系统中，如果系统在指定的时间内未能实现某个确定的任务，会导致系统的全面失败，则系统被称为硬实时系统。而在软实时系统中，虽然响应时间同样重要，但是超时却不会导致致命错误。一个硬实时系统往往在硬件上需要添加专门用于时间和优先级管理的控制芯片，而软实时系统则主要在软件方面通过编程实现时限的管理。比如 Windows CE 就是一个多任务分时系统，而 Ucos-II 则是典型的实时操作系统。 1.5 本文所做的研究工作及其章节安排 本文是在江苏金陵科技集团公司研发部门完成的，并 担任该项目的项目负责人，本课题是该单位根据行业需求确立的科研项目，具有较强的市场前景。该课题涉及数字信号处理器、嵌入式处理其、存储、网络等硬件系统以及嵌入式操作系统、语音处理算法等软件系统的开发，整个项目的技术难度较大。
