基于DSP芯片C5402和音頻接口芯片AD50實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)語音處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

TMS320VC5402（以下簡稱C5402）是TI（德州儀器）公司1999年10月推出的性價(jià)比極高（目前批量價(jià)格約人民幣40元）的定點(diǎn)數(shù)字信號處理器（DSP）。指令執(zhí)行速率高達(dá)100MIPS，已經(jīng)廣泛用于實(shí)時(shí)語音處理、個(gè)人數(shù)字助理（PDA）和數(shù)字無線通信等嵌入式系統(tǒng)。TLC320AD50C（簡稱AD50）是TI公司生產(chǎn)的SIGMA-DELTA型單片音頻接口芯片（AIC）。而DSK板是TI公司的一種DSP仿真/開發(fā)板，本文著重介紹了利用CCS在DSK板上進(jìn)行實(shí)時(shí)語音處理的軟件設(shè)計(jì)過程。

1.C5402及其多通道緩沖串口

C5402硬件優(yōu)點(diǎn)。改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)解決了馮諾伊曼（Von-Neumann）結(jié)構(gòu)中高速數(shù)據(jù)傳輸時(shí)的傳輸通道上的瓶頸現(xiàn)象；內(nèi)部多總線結(jié)構(gòu)保證在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)可以多次訪問程序空間和數(shù)據(jù)空間；指令執(zhí)行時(shí)的多重流水線結(jié)構(gòu)將指令周期降低到了最小值；多處理單元可以在一個(gè)指令周期內(nèi)同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算，而這種結(jié)構(gòu)恰好滿足了數(shù)字信號處理中的一些特殊要求如FIR、IIR、FFT等運(yùn)算。尤為值得一提的是C5402的軟件特點(diǎn)，7種有效靈活的尋址方式，僅為10ns的指令執(zhí)行周期，還有一些特殊的運(yùn)算指令更好地滿足了數(shù)字信號處理中特有的運(yùn)算需要。

C5402具有高速的，全雙工串行口，可用來與系統(tǒng)中的其他C54x器件，編碼解碼器，串行A/D，D/A轉(zhuǎn)換器以及其他的串行器件直接接口。這兩個(gè)串行口均為多通道緩沖串行口McBSP（Multi-channel Buffered Serial Port）。它支持全雙工通信，雙緩沖數(shù)據(jù)寄存器，允許連續(xù)的數(shù)據(jù)流?？梢耘c工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編/解碼器，AICs接口。支持多種方式的傳輸接口如T1/E1幀協(xié)議、MVIP幀方式、H.100幀方式、SCSA幀方式、IIS兼容設(shè)備等。可與多達(dá)128個(gè)通道進(jìn)行收發(fā)。支持傳輸?shù)臄?shù)據(jù)字長可以是8bit，12bit，16bit，20bit，24bit或32bit。內(nèi)置μ-律和A-律壓擴(kuò)硬件。

McBSP在結(jié)構(gòu)上可以分為一個(gè)數(shù)據(jù)通道和一個(gè)控制通道。如圖1所示：

數(shù)據(jù)通道完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收?？刂仆ǖ劳瓿傻娜蝿?wù)包括內(nèi)部時(shí)鐘的產(chǎn)生，幀同步信號產(chǎn)生，對這些信號的控制以及多通道的選擇等?？刂仆ǖ肋€負(fù)責(zé)產(chǎn)生終端信號送往CPU，產(chǎn)生同步事件通知DMA控制器。

圖1 McBSP的結(jié)構(gòu)

象51/96系列單片機(jī)一樣，對C5402串行口的操作也是通過設(shè)置各控制寄存器來進(jìn)行的。這些控制寄存器有串行口控制寄存器SPCR1/2；接收控制寄存器RCR1/2；發(fā)送控制寄存器XCR1/2；多通道寄存器MCR1/2等。需要注意的是，要對某一控制寄存器尋址，只能采用加子地址尋址方式。

2. AD50的一般說明

AD50是一款SIGMA-DELTA型單片音頻接口芯片（AIC）。它內(nèi)部集成了16位的D/A和A/D轉(zhuǎn)換器，采樣速率最高可達(dá)22.05kb/s，其采樣速率可通過DSP編程來設(shè)置。在DAC之前有一個(gè)插值濾波器以保證輸出信號平滑和ADC之后有一個(gè)抽取濾波器以提高輸入信號的信噪比。

AD50內(nèi)部有7個(gè)數(shù)據(jù)和控制寄存器，用于編程控制它們的工作狀態(tài)。

寄存器0：空操作寄存器。

寄存器1： 軟件復(fù)位

軟件掉電

選擇16位或15位工作方式

硬件或軟件二次通信請求方式的選擇

寄存器2：使能ALTDATA輸入端

為ADC選擇16/15位方式

寄存器3：選擇FS與FSD之間延遲SCLK的個(gè)數(shù)

告訴主機(jī)有幾個(gè)從機(jī)被聯(lián)上

寄存器4：為輸入和輸出放大器選擇放大器增益

選擇N來設(shè)置采樣頻率，fs=MCLK/（128*N）或MCLK/（512*N）

在MCLK輸入端使能外部時(shí)鐘輸入并旁通內(nèi)部的PLL

寄存器5，6：保留

AD50與C5402之間的數(shù)據(jù)傳送采用串行方式，包括兩種傳輸模式：16位和15+1位傳輸模式。15+1位模式時(shí)，其中的D0位表示二次通信。它們各自的時(shí)序如下：

注：A，16位或15位工作方式是通過控制寄存器2來編程實(shí)現(xiàn)的。

B，M/S用來表明15位的數(shù)據(jù)是來自主機(jī)還是從機(jī)。

C，最高位MSB（D15）在SCLK第一個(gè)周期的下降沿穩(wěn)定，最低位（D0，M/S）在SCLK第16個(gè)周期的下降沿穩(wěn)定。

圖 2 僅有首次通信時(shí)的ADC通道時(shí)序

注：A，二次通信時(shí)的M/S位（DS15）用于表明在設(shè)置了讀位后寄存器數(shù)據(jù)（地址和內(nèi)容）是來自主機(jī)還是從機(jī)。在寄存器讀期間，DS7-DS0位是指定寄存器的內(nèi)容，在寄存器寫期間，DS7-DS0為0。

圖3 有首次通信和二次通信的ADC通道時(shí)序

AD50的數(shù)據(jù)傳輸模式和采樣速率都可以通過DSP對其控制寄存器的編程來實(shí)現(xiàn)，因此，在許多場合下，AD50都作為DSP的AIC來實(shí)現(xiàn)音頻處理。

3.CCS和DSK

CCS（Code Composer Studio）為TI公司的DSP集成開發(fā)環(huán)境。它提供了環(huán)境配置、源文件編輯、程序調(diào)試、跟蹤和分析等工具，可以幫助用戶在一個(gè)軟件環(huán)境下完成編輯、編譯鏈接、調(diào)試和數(shù)據(jù)分析等工作。與TI提供的早期軟件開發(fā)工具相比，利用CCS能夠加快軟件開發(fā)進(jìn)程，提高工作效率。

CCS一般工作在兩種模式下：軟件仿真器和與硬件開發(fā)板相結(jié)合的在線編程。前者可以脫離DSP芯片，在PC機(jī)上模擬DSP的指令集與工作機(jī)制，主要用于前期算法實(shí)現(xiàn)和調(diào)試。后者實(shí)時(shí)運(yùn)行在DSP芯片上，可以在線編制和調(diào)試應(yīng)用程序。

DSK板是一塊需要外部提供+5VDC電源的獨(dú)立的開發(fā)板，在板線性電壓調(diào)整器提供1.8VDC的DSP內(nèi)核電壓，3.3VDC數(shù)字和5VDC模擬電壓。它提供低功耗的、標(biāo)準(zhǔn)的、獨(dú)立的C54X系列開發(fā)平臺，允許用戶為C54X系列DSP評估和開發(fā)應(yīng)用程序。DSK板上的核心當(dāng)然就是100MHz的C5402 DSP，還有兩片AD50，它們占用了DSP的兩個(gè)McBSP，其中的一片是本文用到的即用于采集外部音頻信號（使用McBSP1），另一片則與標(biāo)準(zhǔn)電話線相接口（使用McBSP0）。

值得一提的是DSK板的在板接口十分豐富，有25針并行接口，9針串行接口，JTAG仿真口，電話 DAA接口，麥克風(fēng)/揚(yáng)聲器 接口，還有擴(kuò)展接口用于擴(kuò)展存儲器和外圍電路。這些接口極大地方便了DSP開發(fā)者的在板開發(fā)。本文所涉及的程序設(shè)計(jì)是通過25針的并行口將主機(jī)和DSK板連接起來的。

4.軟件設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的程序要完成的功能是通過麥克風(fēng)接口進(jìn)行語音信號的采集并實(shí)時(shí)地通過揚(yáng)聲器接口回放出來。

4.1 通信格式的研究

AD50C有兩種通信格式：首次通信和二次通信。

首次通信格式的16位都用來傳輸數(shù)據(jù)。ADC的數(shù)據(jù)長度由寄存器2的D4位決定。啟動和復(fù)位后默認(rèn)值為15+1位模式，最后一位用于請求二次通信（D0：0表示無操作，1表示請求二次通信）。當(dāng)然，二次通信也可以由硬件的FC引腳產(chǎn)生，本文不作討論。下圖為首次通信的數(shù)據(jù)格式：

圖4 首次通信的數(shù)據(jù)格式

二次通信則用來初始化和設(shè)置AD50C的內(nèi)部寄存器的值。二次通信時(shí)DSP可通過向DIN寫入寄存器的值，也可以從DIN讀出寄存器的值。二次通信的數(shù)據(jù)格式如下：

圖4 二次通信的數(shù)據(jù)格式

由圖可以看出，DS13位控制讀寫，DS12~8為寄存器的地址，DS7~0為寄存器的值。系統(tǒng)復(fù)位后，必須通過DSP的DX口向AD50C的DIN寫數(shù)據(jù)以初始化各控制寄存器，如AD轉(zhuǎn)換只用到寄存器1，寄存器2和寄存器4。

4.2 程序流程

圖5示出了CCS配置的主程序源文件（.c或.asm）的設(shè)計(jì)流程

圖5 主程序設(shè)計(jì)流程

當(dāng)然，要使用CCS在DSK板上運(yùn)行某個(gè)程序，光有源文件的主程序（.c或.asm）是不夠的，還需要配置中斷向量表（.asm）和命令鏈接文件（.cmd），在一些特殊的場合還需要配置其他的文件。主程序當(dāng)然是整個(gè)程序的核心，它的作用涉及數(shù)據(jù)的讀/寫和具體的處理過程以及中斷的設(shè)置、寄存器的配置等；中斷向量表主要作用是告知程序中斷跳轉(zhuǎn)的位置，顯而易見，如果在主程序中已經(jīng)設(shè)置，則不再需要配置中斷向量表；命令鏈接文件（.cmd）的主要作用是分配存儲空間，比如存儲器的第0頁分配作程序空間，第1頁分配作數(shù)據(jù)空間，以及各個(gè)段將要放在哪兒（如.text段放在數(shù)據(jù)空間），這個(gè)文件對每個(gè)工程來說都是必須的。

4.3 程序設(shè)計(jì)

從上面的程序流程中，我們可以看到，要完成預(yù)定的功能，首先要初始化DSP的串行口和AIC，然后的工作就是開辟緩存區(qū)以便將輸入的數(shù)據(jù)存儲起來等待進(jìn)一步處理如濾波、DA轉(zhuǎn)換等。限于篇幅，下面只列出了本文要實(shí)現(xiàn)音頻回放功能的幾個(gè)關(guān)鍵程序段。

一．主程序：

在程序中要定義諸多的變量以及所需要包含的頭文件和庫文件在此略。

5.CCS運(yùn)行結(jié)果

待程序設(shè)計(jì)好之后，將其添加到一個(gè)新建的工程里編輯、調(diào)試，直到編譯、構(gòu)建通過并生成.out文件，然后裝載.out文件。這樣就可以運(yùn)行了。為了驗(yàn)證程序是否已正常運(yùn)行，可以在麥克風(fēng)/揚(yáng)聲器接口分別接上話筒和小音箱，在對著話筒說話時(shí)，將可以從小音箱中聽到。同時(shí)，也可以在CCS中打開觀察窗口、寄存器窗口以及圖形顯示窗口。下圖為音頻輸入時(shí)某一時(shí)刻的圖形顯示和寄存器的值。

圖6. CCS運(yùn)行窗口

事實(shí)上，在程序調(diào)試過程中經(jīng)常會遇到這樣或那樣的問題，一般的方法是采用單步執(zhí)行的方式來調(diào)試。而且，由于DSP本身的特點(diǎn)，從一開始就需要認(rèn)識到開發(fā)過程的復(fù)雜性。

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